Magische Kraft mit grosser Wirkung

Mitten in einer grossen Werkhalle steht ein solider, 50 Zentimeter hoher Metallrahmen, montiert auf einem Betonblock. Es ist die Halterung, das sogenannte Joch, für einen neuen Magneten – einen Prototypen, der am PSI zusammengebaut wird. «Wir füllen das Joch mit kleinen Blöcken von Permanentmagneten, wobei wir sehr vorsichtig sein müssen», sagt Stéphane Sanfilippo, Leiter der Sektion Magnete am PSI: «Die Kräfte, die hier wirken, sind enorm. Man kann sich schnell die Hand brechen.» Die Kraft, mit denen zwei dieser kleinen Magnete aneinanderkleben, entspricht einem Gewicht von 180 Kilogramm. Die Blöcke aus einer Legierung der Elemente Neodym, Eisen und Bor sind Teil des Designs, das PSI-Spezialisten am Computer entwickelt haben. Die Permanentmagnete gehören zu insgesamt fast 1000 Magneten, die für das Upgrade der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS gebaut werden. Der Teilchenbeschleuniger, der seit 2001 im grossen, Ufo-förmigen Gebäude in Villigen untergebracht ist, wird erneuert, um ab 2025 als SLS 2.0 noch besseres Röntgenlicht für die Forschung zu liefern. Ende des vergangenen Jahres gab der Schweizer Bundesrat grünes Licht für die Förderung dieses Projektes mit 99 Millionen Franken. Damit können neue Fragestellungen beispielsweise in der Biomolekül- oder der Materialforschung besser und vor allem schneller bearbeitet werden.

Starke Magnete stecken in jedem Teilchenbeschleuniger am PSI, sei es im weltweit stärksten Protonenbeschleuniger HIPA, der die Grossforschungsanlagen Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ, Schweizer Myonenquelle SμS und die Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP mit Protonen versorgt, sei es der Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL, das COMET-Zyklotron für die Protonentherapie oder eben die SLS. In den Beschleunigern lenken normalerweise Elektromagnete die Teilchen auf ihre Bahn. Sie bestehen aus einer Spule aus aufgewickeltem Kupferdraht. Fliesst Strom durch die Spule, bildet sich ein Magnetfeld. Der Vorteil der Elektromagnete: Im Gegensatz zu Permanentmagneten lassen sie sich ein- und ausschalten, und ihre Feldstärke kann durch den Stromfluss geregelt werden. Ein Teil der Magnete für die SLS 2.0 werden nach wie vor Elektromagnete sein wie in der ursprünglichen Maschine. «Es ist allerdings das erste Mal, dass wir für einen grossen Beschleuniger am PSI auch Permanentmagnete in Serie bauen», sagt Sanfilippo. «Dadurch können wir Platz sparen.» Denn die Permanentmagnete brauchen weder einen Stromanschluss noch Wasser, das bei Elektromagneten zur Kühlung dient. Zudem kann so der Stromverbrauch für die Magnetspeisungen der SLS 2.0 im Vergleich zur SLS massiv reduziert werden. Dank der Permanentmagnete lassen sich pro Betriebstag rund 10 000 Kilowattstunden oder 1000 Franken Stromkosten sparen. Das heisst, die SLS 2.0 wird im Betrieb «grüner».

Entwickeln, bauen und testen

Im hinteren Teil der Werkhalle entwickelt Sanfilippos Team einen dritten Typ von Magneten, mit dem sich besonders starke Felder erzeugen lassen. Dabei wird supraleitendes Material eingesetzt. Dieses transportiert den Strom verlustfrei, muss dafür aber auf tiefste Temperaturen gekühlt werden. Kompakte, supraleitende Magnete werden nicht nur bei der SLS 2.0 zum Zuge kommen, sondern auch bei der Design-Studie für den grossen geplanten Beschleuniger «Future Circular Collider» (FCC) am europäischen Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf. Im Rahmen des Schweizerischen Forschungsnetzwerks CHART (Swiss Accelerator Research and Technology) trägt das PSI zur Technologieentwicklung bei. «Wir bauen hier die Infrastruktur und das Wissen für die Entwicklung supraleitender Beschleunigermagnete auf», sagt Sanfilippo, «dabei nutzen wir die Synergien zwischen den Projekten für das PSI und das CERN.»

Auf der anderen Seite, abgetrennt vom Rest der Werkhalle, befindet sich ein Raum mit verschiedensten Installationen, die auf den ersten Blick exotisch anmuten. Eine Tafel warnt Leute mit einem Herzschrittmacher vor starken Magnetfeldern. «In diesem Zoo von Messgeräten testen wir sämtliche Magnete, sowohl die selbst hergestellten wie auch die von Firmen gelieferten Elektromagnete», erklärt Sanfilippo. Erst wenn die Magnete die Spezifikationen tatsächlich erfüllen, werden die Techniker sie in die SLS 2.0 einbauen.

Die vielen, kompakten Magnete im erneuerten Beschleuniger werden die Elektronen auf eine bessere Kreisbahn mit weicheren Kurven leiten als zuvor. So lässt sich die Qualität der Röntgenstrahlen, die jeweils bei einem Richtungswechsel der Elektronen erzeugt werden, um Grössenordnungen verbessern. Darauf freut sich Valerio Scagnoli schon jetzt. Der erfahrene Wissenschaftler und sein Team nutzen die SLS, um magnetische Strukturen in Materialien im Kleinsten sichtbar zu machen und zwar in 3-D. «Heute benötigen wir für ein Experiment ein oder zwei Tage; in Zukunft werden wir zehn- oder gar hundertmal schneller sein», sagt Scagnoli. «Und dank des Upgrades wird sich die räumliche Auflösung der Bilder drastisch erhöhen.»

Ein Kompass, der nach Westen zeigt

Valerio Scagnoli ist Mitglied der Gruppe «Mesoskopische Systeme», einem gemeinsamen Labor von PSI und ETH Zürich, geleitet von Laura Heyderman. Unter «mesoskopisch» verstehen die Fachleute den Grössenbereich zwischen Millionstelmillimeter (Nanometer) und Tausendstelmillimeter (Mikrometer). Forschende aus Heydermans Gruppe entdeckten mithilfe der SLS eine besondere magnetische  Wechselwirkung auf der Ebene nanoskopischer Strukturen aus wenigen Atomschichten.

Magnete zeichnen sich üblicherweise dadurch aus, dass sie einen Nordpol und einen Südpol haben. Werden zwei Magnete nahe aneinandergehalten, ziehen sich deren entgegengesetzte Pole an und die gleichen stossen sich ab. Deshalb richten sich magnetische Nadeln, wie sie beispielsweise in einem Kompass vorkommen, im Erdmagnetfeld so aus, dass damit die Kardinalrichtungen Nord und Süd und daraus abgeleitet Ost und West bestimmt werden können. In der Welt, die wir jeden Tag mit unseren Sinnen erleben, ist diese Regel richtig. Wenn man jedoch die makroskopische Welt verlässt und in die Tiefen viel kleinerer Dimensionen eintaucht, ändert sich das.

Die Atome wirken dort wie winzige Kompassnadeln und entfalten ihre Wirkung über äusserst kurze Entfernungen im Nanometerbereich, also einige Millionstelmillimeter. Deshalb sprechen die Forschenden auch von Nanomagneten.

Das Phänomen, das die Forschenden des PSI beobachten konnten, basiert auf einer Wechselwirkung, die die beiden Physiker Igor Dzyaloshinskii und Toru Mariya vor mehr als 60 Jahren vorhergesagt haben. Bei dieser Wechselwirkung richten sich die Atomkompassnadeln nicht nur in Nord-Süd- Richtung, sondern auch in Ost-West-Richtung aus. Wohin sie zeigen, hängt davon ab, wie sich die Atome in ihrer Nachbarschaft orientieren. Wenn beispielsweise eine Gruppe von Atomen nach Norden zeigt, weist die benachbarte Gruppe immer nach Westen. Wenn eine Gruppe von Atomen nach Süden zeigt, dann orientieren sich die benachbarten Atome nach Osten.

Diese Orientierungen können durch Magnetfelder oder elektrische Ströme die Richtung ändern, das heisst von Nord nach Süd und umgekehrt. Die benachbarten Atomgruppen orientieren sich dann entsprechend neu, entweder von West nach Ost oder umgekehrt. Aussergewöhnlich dabei ist, dass sich diese Wechselwirkung lateral, also seitlich in einer Ebene abspielt. Bislang konnten vergleichbare Kopplungen zwischen Nanomagneten nur vertikal, also bei übereinander angeordneten Atomgruppen festgestellt werden. Mithilfe des neu entdeckten Phänomens könnte es möglich sein, neue, effizientere Computerspeicher und -schalter zu bauen, was wiederum die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren erhöhen würde.

Intelligente Mikroroboter

Ebenfalls in Heydermans Gruppe haben Forschende winzige, magnetische Systeme mit neuartigen Eigenschaften entwickelt. «Intelligente Mikroroboter könnten in Zukunft durch die Blutgefässe im menschlichen Körper navigieren und biomedizinische Aufgaben übernehmen», sagt Jizhai Cui, der als Postdoc vier Jahre in Heydermans Gruppe gearbeitet hat und jetzt an der chinesischen Fudan- Universität in Shanghai ein eigenes Forschungsteam aufbaut. Die winzigen Maschinen könnten beispielsweise gezielt Krebszellen töten.

Wie dies im Prinzip funktionieren soll, demonstrierten die Forschenden am PSI bereits anhand eines nur wenige Mikrometer grossen Roboters in Gestalt eines Vogels, der flattern, seinen Hals krümmen und zur Seite gleiten konnte. Auf dünnen Schichten von Siliziumnitrid hatten sie winzige Kobaltmagnete platziert. «Stattet man Mikroroboter mit Nanomagneten aus, können sie auf von aussen angelegte Magnetfelder reagieren wie ein Kompass», erklärt Cui: «Wie von einem Motor angetrieben, können sich die Mikroroboter so vorwärtsbewegen, wenn das Magnetfeld rotiert.» Nun gelte es in einem der nächsten Schritte, die Mikroroboter biologisch abbaubar zu machen, sagt der Forscher und meint: «Ich freue mich sehr auf eine Zusammenarbeit zwischen der Fudan-Universität und dem PSI.»

Ein weiteres Material mit erstaunlichen Eigenschaften entwickelten PSI-Forschende in Kooperation mit der ETH Zürich: einen Stoff mit Formgedächtnis. Zwingt man den Verbundstoff in eine bestimmte Form und setzt ihn dann einem Magnetfeld aus, so behält er diese Form bei. Erst wenn man das Magnetfeld entfernt, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an. Bislang bestehen vergleichbare Materialien aus einem Polymer und eingelagerten Metallpartikeln. Die Forschenden des PSI und der ETH Zürich fügten stattdessen die magnetischen Partikel mithilfe von Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin in das Polymer. Dadurch erzeugten sie eine Dispersion, ähnlich wie sie von Milch bekannt ist. In dem neuen Material verteilen sich die Tröpfchen der Flüssigkeit mit den magnetischen Partikeln ähnlich fein. «Da es sich bei der im Polymer dispergierten magnetisch empfindlichen Phase um eine Flüssigkeit handelt, sind die Kräfte, die beim Anlegen eines Magnetfeldes erzeugt werden, wesentlich grösser als bisher bekannt», erklärt Laura Heyderman. Wirkt ein Magnetfeld auf den Verbundstoff, versteift dieser.

Für formerinnernde Stoffe sind zahlreiche Anwendungen in Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik denkbar. So könnten Katheter, die bei minimalinvasiven Operationen durch Blutgefässe zum Operationsort im Körper geschoben werden, ihre Steifigkeit verändern. Das bietet den Vorteil, dass sie nur dann fest werden müssen, wenn das benötigt wird, und sie deshalb – zum Beispiel beim Gleiten durch ein Blutgefäss – weniger Nebenwirkungen wie Thrombosen erzeugen. In der Raumfahrt sind formerinnernde Materialien als eine Art Reifen für Erkundungsfahrzeuge gefragt, die sich eigenständig aufblähen oder wieder zusammenfalten. In der Elektronik dienen weiche Funktionsmaterialien als flexible Strom- oder Datenleitungen, beispielsweise in sogenannten Wearables, also Geräten, die man in der Kleidung oder direkt am Körper trägt. Formgedächtnis eröffnet auch neue Möglichkeiten, beispielsweise können formerinnernde Materialien in der Robotik mechanische Bewegungen ohne einen Motor ausführen.

250 Tonnen schwere Kolosse

Gerade beim Thema Magnetismus sind die Sprünge über die verschiedenen Dimensionen von ultraklein bis gigantisch gross am PSI gewaltig. Das sieht man sofort, wenn man den Gebäudekomplex betritt, der gleich neben der Werkhalle liegt, in der das Team von Stéphane Sanfilippo die neuen Magnete für das Upgrade der SLS entwickelt. Dort befindet sich die älteste, noch voll funktionstüchtige, grosse Forschungsanlage des PSI – der Hochintensitäts-Protonenbeschleuniger HIPA. Die acht riesigen, türkisfarbenen Elektromagnete des Ringbeschleunigers wiegen je 250 Tonnen und stammen aus dem Jahr 1974. «Der Unterhalt dieser sowie sämtlicher anderer Magnete in den Beschleunigern und den Labors am PSI zählt ebenfalls zu unseren Aufgaben», sagt Sanfilippo: «Unser Ziel ist es, Stillstandzeiten möglichst kurz zu halten.»

Elektrobleche optimal schneiden

Die Protonen aus HIPA treffen unter anderem in der Spallations-Neutronenquelle SINQ auf einen Bleiblock und schlagen dabei Neutronen aus den Atomkernen. «Neutronen können die Materie leicht durchdringen und eignen sich deshalb gut, um ins Innere von Materialien zu schauen», erklärt Markus Strobl, Leiter der Gruppe Angewandte Materialien am PSI und Professor an der Universität Kopenhagen: «Und obwohl die Neutronen elektrisch neutral sind, haben sie ein magnetisches Moment und wechselwirken mit Magnetfeldern.» So lassen sich in einem Material die Bereiche oder Domänen sichtbar machen, in denen die Magnetisierung in einer gleichmässigen Richtung erfolgt, zum Beispiel in sogenannten elektrischen Stählen, die für Elektromotoren, Generatoren und Transformer verwendet werden – ein Produkt mit grossem Marktanteil.

«Das Design der magnetischen Domänen in diesen Stählen ist wichtig für die Effizienz der Maschinen », sagt Strobl. Abbildungen des Materialinnern zeigten, dass das Zuschneiden von Elektroblechen die magnetischen Eigenschaften an den Rändern negativ beeinflusst. «Wir haben dann im Auftrag einer österreichischen Firma untersucht, wie man die Schneidetechnik verbessern und damit Energieverluste vermeiden kann», sagt Strobl. Die Studien an den Elektrostählen sollen jetzt in Zusammenarbeit mit der deutschen Fraunhofer-Gesellschaft weitergeführt werden.

Kleine Spiralen mit grossem Potenzial

Die Abbildungen von Strobl und seiner Gruppe haben eine Auflösung von Tausendstelmillimeter bis Zentimeter. Die Längenskala, für die sich Marisa Medarde interessiert, liegt im Bereich von Millionstelmillimeter, der Grössenordnung von Atomen. «Das Material, mit dem ich arbeite, ist sehr speziell», sagt die Leiterin der Gruppe Physikalische Eigenschaften von Materialien. Es enthält winzige Magnete, die sich spiralförmig anordnen. Mithilfe der Neutronen an der SINQ lassen sich diese Spiralen nachweisen. Forschende vermuten, dass damit eine besonders wünschenswerte Eigenschaft einhergeht: Die Magnetisierung des Materials lässt sich durch ein elektrisches Feld steuern, was viel einfacher und energiesparender ist, als wenn man dazu ein magnetisches Feld benötigt.

Solche Materialien gelten deshalb als Kandidaten für künftige Datenspeicher. Medardes Material mit der chemischen Formel YBaCuFeO5 ist besonders vielversprechend. Denn bisher wurden solche magnetischen Spiralen nur bei extrem tiefen Temperaturen nachgewiesen. «Unsere Spiralen existieren bei Raumtemperatur», sagt die Forscherin. «Zudem kann man sie relativ einfach verändern, was völlig unerwartet ist.» Ihr Trick: Sie heizt das Material zuerst auf über 1000 Grad auf und wirft es dann direkt in fast minus 200 Grad kalten, flüssigen Stickstoff. In einem nächsten Schritt will Medarde mit ihrem Team zeigen, dass das Material tatsächlich die erhofften Eigenschaften hat. Vom Einsatz derartiger multiferroischer Materialien verspricht man sich energiesparsamere Computer.

So verbindet die beinahe magisch anmutende Kraft des Magnetismus sehr viele Forschungsarbeiten am PSI – gleichgültig, ob sie sich mit den Strukturen in Computern beschäftigen oder mit neuartigen Materialien für Medizin und Technik oder mit den riesigen Anlagen, die winzige Teilchen beschleunigen.

Text: Barbara Vonarburg