Dreidimensionale Bildgebung: Erstmalige Einblicke in Magnetfelder

31.03.2008: 3D-Bilder werden nicht nur in der Medizin erzeugt, etwa mithilfe der Röntgen- oder Kernspinresonanztomographie. Auch Materialwissenschaftler blicken gern ins Innere eines Körpers. Forschern des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) ist es nun erstmals gelungen, Magnetfelder im Inneren von massiven, nicht transparenten Materialien dreidimensional darzustellen. Das berichten Nikolay Kardjilov und Kollegen in Nature Physics.

Die Forscher der Abteilung Imaging haben dafür die Neutronentomographie genutzt. Neutronen besitzen ein magnetisches Moment und sind daher besonders geeignet, um Phänomene wie den Magnetismus zu untersuchen. Sie verhalten sich im Magnetfeld ähnlich wie Kompassnadeln, das heißt, sie führen kleine Kreiselbewegungen um die Achse eines angelegten Magnetfeldes aus. Physiker sprechen vom Neutronenspin. Dieser kann polarisiert werden. Das heißt, alle Kompassnadeln richten sich gleichmäßig zum Magnetfeld aus. Wird eine Probe mit derartigen spinpolarisierten Neutronen bestrahlt, ändert sich der Drehwinkel der kleinen Kreisel, ihre Spinrotation. Die Gruppe um Kardjilov hat dies als Messparameter für die Tomographie-Experimente genutzt. Sie haben Apparaturen entwickelt, so genannte Analysatoren, die nur Neutronen mit einer bestimmten Drehrichtung passieren lassen. Damit wird das Bild erzeugt. Kardjilov erläutert dies im Vergleich zu einer medizinischen CT-Aufnahme: Knochen oder Gewebe lassen beim Bestrahlen mit Röntgenlicht je nach ihrer Dichte die Lichtwellen in unterschiedlicher Intensität passieren. "So ähnlich ist es mit unserer magnetischen Probe, die die Spinrotation der Neutronen ändert", sagt Nikolay Kardjilov. "Der nachgeschaltete Analysator lässt nur Neutronen mit einem bestimmten Drehspin passieren, dadurch wird der Kontrast erzeugt. Je nachdem, wie die magnetischen Eigenschaften in der Probe verteilt sind. Wenn man die Probe dabei dreht, erhält man ein 3D-Bild."

Nikolay Kardjilov hat seit 2005 die Neutronentomographie am HMI aufgebaut, und nun ist seine Gruppe die erste, die die Spinrotation als Messsignal für die Bildgebung verwendet. Normalerweise nutzen Wissenschaftler wie beim Licht die einfache Absorption der Strahlung beziehungsweise die Fähigkeit einer Probe, Strahlung hindurchzulassen. Eine weitere Grundlage für den Erfolg der Experimente waren die Polarisatoren und Analysatoren sowie ortsauflösende Detektoren, die die HMI-Forscher in Eigenentwicklung gebaut haben.

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