10.04.2025

Magnetische Mikroblüten verstärken lokale Magnetfelder

Innovation eröffnet neue technologische Möglichkeiten, um die Leistung kleiner magnetischer Sensoren zu verbessern und multifunktionale magnetische Komponenten zu entwickeln.

Eine blütenförmige Mikrostruktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung kann Magnetfelder lokal verstärken. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona mit internationalen Partnern entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.

Abb.: Die magnetische Mikrostruktur aus der Nickel-Eisen-Legierung führt zu... — Abb.: Die magnetische Mikrostruktur aus der Nickel-Eisen-Legierung führt zu einer Verdichtung der Feldlinien im Zentrum.
Quelle: A. Palau, ICMAB

Die Mikroblüten lassen sich in unterschiedlichen Geometrien herstellen, nicht nur Innen- und Außenradien, sondern auch Anzahl und Breite der Blütenblätter sind variabel. Diese blütenförmige Geometrie bewirkt, dass sich die Feldlinien eines äußeren Magnetfeldes im Zentrum der Blüte konzentrieren, was zu einem lokal deutlich stärkeren Magnetfeld führt.

„Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit Mikrostrukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die elektromagnetischen oder thermischen Wellen, die sie manipulieren sollen“, erklärt Palau. Die Physikerin arbeitet an magnetischen Mikrostrukturen, die in der Datenspeicherung, Informationsverarbeitung, Biomedizin, Katalyse und magnetischen Sensorik eingesetzt werden können. So erhöhen solche Metamaterialien die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren, indem sie das zu detektierende Magnetfeld verstärken.

Palau und ihre Kollegen haben dies nun an der XPEEM-Versuchsstation von BESSY II untersucht. Sie platzierten einen Kobaltstab im Zentrum verschiedener Mikroblüten als Sensor für das Magnetfeld und kartierten die magnetischen Domänen im Inneren des Kobaltstabs. „Durch die Anpassung der geometrischen Parameter wie Form, Größe und Anzahl der Blütenblätter kann das magnetische Verhalten umgeschaltet und gesteuert werden“, sagt Valencia. Dadurch könnte die Empfindlichkeit eines magnetoresistiven Sensors um mehr als zwei Größenordnungen erhöht werden.

Diese Innovation eröffnet neue technologische Möglichkeiten, um die Leistung kleiner magnetischer Sensoren zu verbessern und multifunktionale magnetische Komponenten zu entwickeln. In Zukunft können solche Mikrostrukturen dazu verwendet werden, lokal viel höhere Magnetfelder zu erzeugen, was auch für die experimentelle XPEEM-Station bei BESSY II von Interesse ist. Denn das XPEEM ist ein Photoemissionselektronenmikroskop, bei dem die emittierten Elektronen das Bild erzeugen. Magnetfelder lenken diese Elektronen jedoch ab, so dass es schwierig ist, ein stärkeres Magnetfeld anzulegen.

„Das maximale Magnetfeld, das wir bisher anwenden können, liegt bei etwa 25 Millitesla“, so Valencia. „Mit dem Magnetfeldkonzentrator, der das Feld nur lokal verstärkt, können wir problemlos fünfmal größere Felder erreichen. Das ist sehr spannend, weil wir damit magnetische Systeme unter Bedingungen untersuchen können, die bisher nicht möglich waren.“

HZB / RK