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Ein Leuchtturm aus Röntgenlicht

Samarium in schnelle Rotation gebracht / Starke Magnetfelder

Von Rainer Scharf

Samarium ist ein begehrtes Material für Permanentmagnete. Doch lassen sich seine magnetischen Eigenschaften mit herkömmlichen Techniken wie der Mößbauer-Spektroskopie bislang nur schwer analysieren. Wissenschaftler von der Universität Rostock haben nun einen vergleichsweise einfachen Weg gefunden. Sie brachten die Atomkerne einer schnell rotierenden Samarium-Probe dazu, Röntgenlicht abzustrahlen. Die Probe wurde dadurch gewissermaßen zu einem Leuchtturm. Aus dessen Strahlung konnten die Forscher wichtige Informationen über das Magnetfeld gewinnen, das am Ort der Kerne herrscht.

Die magnetischen Eigenschaften von Samarium rühren daher, daß sich die magnetischen Momente bestimmter Elektronen in den Hüllen der Atome spontan in gleicher Weise ausrichten. Es entstehen starke Magnetfelder, die auch die Eigenschaften der Atomkerne beeinflussen. Dadurch oszilliert beispielsweise das von den Kernen ausgesandte Röntgenlicht extrem schnell. Aus der Frequenz dieser Schwingungen läßt sich die Stärke des auf die Kerne wirkenden Magnetfeldes bestimmen.

Der Nachweis und die Analyse des abgestrahlten Röntgenlichts sind allerdings recht schwierig. Denn es hat dieselbe Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung wie die einfallende Röntgenstrahlung, die man zur Anregung der Atomkerne benötigt. Diese bewegt sich zudem fast ungehindert an den winzigen Atomkernen vorbei. Das vergleichsweise schwache Röntgenlicht der Kerne geht dadurch völlig im einfallenden Strahl unter. Mit dem nuklearen Leuchtturmeffekt konnten die Rostocker Forscher diese Schwierigkeiten beheben.

Zur Herstellung des Röntgenleuchtturms haben Ralf Röhlsberger und seine Kollegen einen kleinen Hohlzylinder mit Samariumoxyd beschichtet. Der Zylinder wurde mit Preßluft zunächst auf bis zu 15000 Umdrehungen pro Sekunde beschleunigt ("Physical Review Letters", Bd. 87, Nr. 047601). Anschließend setzte man die rotierende Probe den intensiven Röntgenpulsen aus. Die Strahlung wurde von der "Advanced Photon Source" des Argonne National Laboratory in den Vereinigten Staaten erzeugt. Die von einem Röntgenpuls getroffenen Samariumkerne wurden zu starken Schwingungen angeregt. Kurz darauf strahlten sie das Röntgenlicht wieder ab.

Durch die extrem schnelle Drehbewegung des Metallzylinders wurde das abgestrahlte Röntgenlicht mitgerissen und von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Zwar betrug der Ablenkwinkel nur etwa ein zehntel Grad. Das reichte aber bereits aus, die Strahlung der Atomkerne so weit vom Hauptstrahl der Lichtquelle zu trennen, daß sie mit empfindlichen Detektoren nachgewiesen werden konnte.

Die Intensität der emittierten Strahlung nahm einige Nanosekunden nach der Anregung der Atomkerne deutlich ab, allerdings nicht kontinuierlich. Sie zeigte charakteristische Schwingungen, ähnlich den akustischen Schwebungen einer verstimmten Gitarrensaite. Diese stammten vom Einfluß der magnetischen Momenten der Hüllenelektronen auf die Atomkerne.

Mit dem Verfahren lassen sich bislang Schwebungen nachweisen, die sich innerhalb von einer Nanosekunde abspielen. Die Forscher um Röhlsberger wollen künftig Vorgänge verfolgen, die tausendmal so schnell sind. Dazu soll die Strahlung auf eine Photoplatte fokussiert werden. Die Intensitätsänderungen würden darauf abwechselnd helle und dunkle Streifen erzeugen, wodurch sich der Einfluß der Magnetfelder auf die Samariumkerne noch besser analysieren ließe. Neben Samarium und Eisen, das ebenfalls mit dem nuklearen Leuchtturmeffekt untersucht wurde, wollen die Forscher auch weitere interessante magnetische Substanzen untersuchen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 12.12.2001, Nr. 289 / Seite N1

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