CHIRALTEM – Neuer Schwung für die Mikroskopie

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Chiraltem
Im Jahre 2003 experimentierten zwei Physiker in Wien mit Elektronengleichungen. Die daraus resultierende Formel ließ darauf schließen, dass etwas, was eigentlich unmöglich schien, eventuell doch machbar sein könnte.

Kurzum, es sah so aus, als ließen sich mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), wie es in Labors überall auf der Welt verwendet wird, auch die magnetischen Eigenschaften von Materialien präzise messen. Bis dahin wurden derartige Untersuchungen in Synchrotronen ausgeführt, die jedoch zum einen riesengroß und zum anderen sehr teuer sind und von denen es weltweit nur sehr wenige gibt.

Die österreichischen Wissenschaftler wollten nun wissen, ob sich ihre Theorie auch in die Praxis umsetzen lässt, und schlossen sich daher mit einem multidisziplinären Team aus der Tschechischen Republik, Deutschland und Italien zusammen, um dies gemeinsam im CHIRALTEM-Projekt (Chiral Dichroism in the Transmission Electron Microscope) zu überprüfen. Zu diesem Zeitpunkt waren sie weltweit das einzige Team, das diese Idee untersuchte.

Die Forscher konnten nachweisen, dass ein TEM tatsächlich Informationen zu den magnetischen Eigenschaften von Materialien liefern kann. Außerdem übertrifft seine Detailgenauigkeit sogar noch diejenige anderer Techniken, wie die des magnetischen Röntgenzirkulardichroismus (X-Ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD). Die Entdeckung könnte in vielen Anwendungen genutzt werden, auch in Quantenrechnern, bei denen Daten mithilfe des Elektronenspins gespeichert werden.

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Materialforschung mit Elektronen

Bereits seit den 1930er Jahren untersuchen Forscher mithilfe von TEM Materialien in winzigen Größenbereichen. So erforschen sie beispielsweise das Innere von Zellen und Kristallstrukturen.

TEM funktionieren ähnlich wie normale Lichtmikroskope, nur dass das Licht durch einen Elektronenstrahl ersetzt wird, der mit magnetischen Linsen gebündelt wird. Da Elektronen eine wesentlich kürzere Wellenlänge besitzen als das sichtbare Licht, lassen sich mit TEM viel stärkere Vergrößerungen und höhere Auflösungen erzielen als mit Lichtmikroskopen.

Zu den Nachteilen von TEM gehörte bislang allerdings, dass man mit ihnen nicht die magnetischen Eigenschaften bestimmter Atome in einer Probe untersuchen konnte. Theoretisch wäre dies möglich, wenn das TEM einen polarisierten Elektronenstrahl erzeugen könnte, in dem sich alle Elektronen in die gleiche Richtung drehen. Da jedoch der von einem TEM erzeugte Elektronenstrahl nicht polarisiert ist, nahmen Physiker bisher einfach an, dass es für die Untersuchung von magnetischen Eigenschaften einer Probe nicht einsetzbar ist.

Eine knifflige Technik

Bis jetzt konnten die magnetischen Eigenschaften eines Materials nur mit dem magnetischen Röntgenzirkulardichroismus (X-Ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD) analysiert werden. XMCD basiert auf der sogenannten Zirkularpolarisation. Diese tritt auf, wenn sich elektromagnetische Wellen, wie das sichtbare Licht, um die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls drehen, so wie ein im Flug rotierender Pfeil.

Bei XMCD wird ein polarisierter Röntgenstrahl auf eine Probe gerichtet. Wie die Röntgenstrahlen von dem Material absorbiert werden, hängt von der Richtung des magnetischen Feldes ab. Dieser Effekt wird Dichroismus genannt. XMCD hat jedoch auch Nachteile, denn die Auflösung ist nicht so hoch wie die eines TEM. Und ein weit verbreitetes Instrument – das Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskop (X-ray induced photoemission electron microscopy, XPEEM) – kann lediglich die Oberfläche des Materials abtasten. Das Hauptproblem bei XMCD ist, dass es eine Synchrotronstrahlungsquelle benötigt. Synchrotrone sind jedoch extrem teuer und es gibt sie nur in wenigen Labors.

Die Wette gilt

Die von den Wissenschaftlern auf dem Papier erarbeitete Gleichung schien die Theorie zu widerlegen, dass sich ein TEM nicht zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften einer Probe eignet. Würde es aber auch in der Praxis funktionieren? CHIRALTEM wollte das herausfinden und – sofern es funktionierte – die neue Technik mit XCMD vergleichen. Niemand hatte dies zuvor versucht und es gab keine Gewähr für den Erfolg.

Die Projektpartner untersuchten magnetisches Material in einem TEM, um herauszufinden, ob die sogenannten Dichroismus-Effekte beobachtet werden konnten. Hierfür mussten die Wissenschaftler ermitteln, wie man die Proben am besten vorbereitet und die Magnetfelder im TEM kontrollieren kann.

Das Team konnte bereits nach kurzer Zeit nachweisen, dass es tatsächlich möglich ist, magnetische Effekte mit dem normalen Elektronenstrahl eines handelsüblichen TEM zu erkennen. Die CHIRALTEM-Forscher tauften ihr Verfahren „Electron Energy-loss Magnetic Chiral Dichroism“ (EMCD). Ihre Ergebnisse wurden im Mai 2006 in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

EMCD bietet viele Vorteile gegenüber anderen Verfahren. Dank der hohen Auflösung der TEM lassen sich damit magnetische Strukturen erkennen, die zehnmal kleiner sind als solche, die mit existierenden Röntgenverfahren identifiziert werden können.

Mit EMCD können TEM jetzt die Kristallografie, Morphologie und Chemie sowie magnetische Eigenschaften einer Probe in einem Durchgang untersuchen.

Eine Vielzahl von Möglichkeiten

Das positive Projektergebnis eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten. EMCD könnte eine neue Methode für die Analyse und Charakterisierung magnetischer Eigenschaften von Materialien im Nanometerbereich darstellen. Es könnte ebenfalls unsere Kenntnisse zu magnetischen Phänomenen bei bestimmten chemischen Elementen vertiefen und eignet sich optimal zur Untersuchung dünner magnetischer Schichten.

In der Biologie könnte EMCD als ein wertvolles Hilfsmittel für die Untersuchung einer Vielzahl von Lebewesen genutzt werden, die in der Lage sind, das Magnetfeld der Erde zu erkennen und sich bei ihrer Fortbewegung daran zu orientieren. Viele Lebewesen, einschließlich Vögel, Bakterien und Reptilien, verfügen über einen solchen inneren Kompass. Tauben besitzen beispielsweise in ihren Schnäbeln magnetisches Material. Mit der Untersuchung der Frage, wie Lebewesen das Magnetfeld der Erde nutzen, könnten wir mehr darüber erfahren, wie sich Tiere während ihrer Wanderung orientieren.

In der Industrie könnte mittels EMCD ermittelt werden, welche Werkstoffe in miniaturisierten Aufzeichnungsgeräten oder in Computern, die Daten auf dem Elektronenspin speichern, am besten verwendet werden sollten.

Die CHIRALTEM-Gruppe plant außerdem, den Kontakt zwischen den Benutzern von Elektronenmikroskopen und von Synchrotronen zu verstärken – also zwischen zwei Bereichen, die in der Vergangenheit kaum Berührungspunkte hatten. Eine engere Arbeitsbeziehung wird zukünftigen Untersuchungen auf diesem Gebiet enorm zugute kommen.

Durch den Nachweis, dass etwas für unmöglich Gehaltenes doch möglich ist, hat CHIRALTEM die Vorreiterstellung der europäischen Forschung bestätigt und ein neues und spannendes Forschungsfeld eröffnet, dessen ganzes Potenzial jetzt erst langsam erkannt wird.