Mit der Myonenquelle am Paul Scherrer Institut untersuchen Forschende aus aller Welt die magnetischen und elektronischen Eigenschaften neuer Materialien. Nirgendwo sonst werden so viele Myonen erzeugt. Exotische Elementarteilchen, die als Mikrosonden Aufschluss über die Vorgänge im Materialinnern liefern.

Die komplexen Instrumente für die Myonen-Experimente haben die PSI-Forschenden selbst entwickelt.

«Wir haben Instrumente, die weltweit einzigartig sind», sagt Elvezio Morenzoni, der Leiter des Labors, in dem mit Myonen die mikroskopi schen Eigenschaften von Materialien erforscht werden. Myonen sind elektrisch geladene Elementarteilchen. Ein negatives Myon gleicht einem Elektron, ist aber rund 200-mal schwerer. Ein positives Myon verhält sich wie ein leichtes Proton. In unserer Umgebung entstehen Myonen, wenn kosmische Strahlung in der Atmosphäre auf Luftmoleküle trifft. Am Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen Villigen werden sie mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers erzeugt.

Elvezio Morenzoni, Professor an der Universität Zürich und Leiter des Laboratory for Muon Spin Spectroscopy (LMU) am PSI, steht auf einer Galerie in der grossen Experimentierhalle des PSI und erklärt das Labyrinth aus Maschinen, Betonblöcken, Leitungen und Kabeln unter ihm. In der gegenüberliegenden Ecke befindet sich hinter einer meterdicken Abschirmung das Herzstück der Halle: der Protonenbeschleuniger. Das 40 Jahre alte Zyklotron ist nach wie vor die weltweit leistungsfähigste derartiger Anlagen und erzeugt mehr Protonen als alle anderen. Im Ringbeschleuniger erreichen die positiv geladenen Atombausteine bis zu 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Von dort aus gelangen die Teilchen in die Mitte der Halle zur Myonenquelle.

Wie diese aussieht, zeigt der Fachmann an einem Modell. Es besteht im Wesentlichen aus einem rotierenden Ring aus Graphit. Prallen die schnellen Protonen auf die Atomkerne des Graphits, entstehen neue Teilchen: sogenannte Pionen. «Diese zerfallen zu Myonen, die man in einem Strahl sammeln kann», erklärt der Physiker. «Weil wir mehr Protonen zur Verfügung haben als die Konkurrenz, können wir auch mehr Myonen erzeugen und damit Experimente machen, die anderswo nicht möglich sind.»

Neuartiges magnetisches Material

So konnte ein internationales Team mit Hilfe der Myonen- Messungen im Sommer 2015 zeigen, wie es ihm gelungen war, aus einem unmagnetischen Metall ein magnetisches Material herzustellen. Die Forschenden hatten auf dünne Kupferstreifen eine Schicht von speziellen Kohlenstoffmolekülen aufgetragen und dadurch die Eigenschaften des kombinierten Materials so verändert, dass dieses permanent magnetisiert werden konnte. Die Messungen am PSI bewiesen, dass die Grenzfläche zwischen Kupfer und Kohlenstoff für das magnetische Verhalten verantwortlich ist.

«Diese Experimente wären in keiner anderen Anlage auf der Welt möglich gewesen», sagt Oscar Céspedes von der Universität Leeds, der das Forschungsprojekt leitet. «Wir hatten zuvor Probleme, das magnetische Profil in unseren Dünnschichten zu bestimmen.» Da machten ihn Gruppenmitglieder auf die Myonenquelle in der Schweiz aufmerksam. Die Methode am PSI erwies sich als ideal, um die dünnen Filme aus Leeds zu untersuchen. Aus dem neuartigen Material können dereinst vielleicht Magnete entwickelt werden, die sich für verschiedene Zukunftstechnologien eignen, zum Beispiel bei der Datenspeicherung auf Festplatten, in Strom generatoren oder medizinischen Geräten.

Langsame Myonen für dünne Filme

Prof. Elvezio Morenzoni, der Leiter des Laboratory for Muon Spin Spectroscopy (LMU) am PSI.

Für die Untersuchung des Kupfer-Kohlenstoff-Films verwendete das Team ein Verfahren, mit dessen Entwicklung Elvezio Morenzoni und seine Gruppe vor zwanzig Jahren begonnen hatten. «Wir können langsame Myonen mit ganz bestimmten Energien herstellen, die in verschiedenen Schichten stoppen», erklärt der PSI-Forscher. «So lassen sich dünne Filme und Strukturen aus mehreren Schichten untersuchen.» Dazu braucht es einen Trick. Denn die ge wöhnlichen Myonen, die beim Pionenzerfall entstehen, sind so schnell, dass sie etwa einen halben Millimeter in eine Probe eindringen, bevor sie weiter zerfallen. Damit lassen sich zwar Kristalle untersuchen, nicht aber nanometerdünne Schichtstrukturen. Am PSI wird ein Teil der Myonen durch gefrorenes Edelgas geschickt, dadurch fast gestoppt und erneut nur so stark beschleunigt, dass sie die gewünschte kurze Eindringtiefe erreichen.

Am Ziel angekommen, befinden sich die positiv geladenen Myonen bevorzugt zwischen den Atomen. Hier verhalten sie sich wie winzige Kompassnadeln. Denn Myonen besitzen einen sogenannten Spin, eine quantenmechanische Eigenschaft, die man sich als Drehachse vorstellen kann. Bei den frisch erzeugten Myonen weist dieser Spin in dieselbe Richtung; das heisst, die Teilchen sind polarisiert. Doch je nach magnetischer Umgebung, kann sich die Spinrichtung ändern. Die Polarisation ändert sich oder erlischt mit der Zeit. Misst man die Polarisationsänderung über einen bestimmten Zeitraum, kann man daraus Rückschlüsse über die magnetischen Eigenschaften des Materials ziehen. «Die Myonen sind also magnetische Mikrosonden nahe bei den Atomen», erklärt Elvezio Morenzoni.

Die Anlage, die langsame Myonen liefert, ist eines von sechs Instrumenten, die von der Myonenquelle mit Teilchen versorgt werden. Magnete leiten die Myonen zu den mit Beton abgeschirmten Messplätzen. Für die Besichtigung eines der Instrumente lässt der Physiker den Teilchenstrahl abschalten und jeden Besucher einen Schlüssel aus einer Halterung ziehen, bevor er die Tür zur Anlage öffnet – aus Sicherheitsgründen. Erst wenn jedermann den Messplatz verlassen hat und sämtliche Schlüssel wieder stecken, kann die Quelle erneut eingeschaltet werden.

Tiefste Temperatur, höchster Druck

Über eine enge Wendeltreppe gelangt man zum oberen Teil der zweistöckigen Vorrichtung, in deren Herz die winzige Probe steckt. «Alle Instrumente haben wir im Eigenbau entwickelt», sagt Elvezio Morenzoni. Bei jedem Experiment messen die Forschenden rund zehn Millionen Myonen. Dabei bleibt die Grundmethode dieselbe, aber jeder der sechs Messplätze ist spezialisiert. «Hier können wir beispielsweise Proben bei sehr tiefen Temperaturen untersuchen», erklärt der Experte und meint damit zehn Millikelvin – einen Wert, der nur 10 Tausendstelgrad über dem absoluten Nullpunkt liegt. An einem anderen Messplatz lässt sich das Material sehr hohen Drücken oder hohen magnetischen Feldern aussetzen.

Ähnliche Instrumente gebe es zwar in England, Kanada und Japan, erzählt der Physiker, doch so tiefe Temperaturen sowie hohe Magnetfelder und Drücke könnten dort nicht erreicht werden. «Selbst da, wo wir nicht einzigartig sind, wie bei einigen Instrumenten, sind wir besser als die Konkurrenz.» Kein Wunder besuchten 2015 für eine längere Zeit eine Wissenschaftlerin aus China und ein Forscher aus Südkorea das PSI. In beiden Ländern sind ähnliche Projekte geplant. Die Zusammenarbeit mit ausländischen Gästen gehört am PSI zum Alltag. Viele der Myonen-Experimente werden in internationaler Kollaboration durchgeführt, wie die Untersuchung der Magnete aus unmagnetischen Metallen, an der zwei PSI-Mitarbeitende, zwei Doktoranden der Universität Leeds und zwei weitere Forschende beteiligt waren.

«Die Zusammenarbeit hat hervorragend funktioniert», rühmt Oscar Céspedes. Die PSI-Mitarbeitenden hätten ihr grosses Wissen eingebracht und sich extrem stark eingesetzt – auch ausserhalb der normalen Arbeitszeit. «Sie haben uns unglaublich viel geholfen, zuerst während des Experiments, aber auch später bei der Datenanalyse.» Neben den internationalen Beteiligungen führen die PSI-Forschenden auch eigene Experimente durch. «Ein besonders interessantes Gebiet sind zurzeit die magnetischen Halbleiter», erklärt Elvezio Morenzoni. Man erhofft sich davon, Daten gleichzeitig schneller verarbeiten und effizienter speichern zu können.

Proben aus aller Welt

Bei den magnetischen Halbleitern handelt es sich um dünne Filme. Oft ist unklar, ob die ganze Probe magnetisch ist oder nur ein Teil davon. «Da kommen wir ins Spiel», sagt der PSI-Wissenschaftler. «Wir können die magnetischen Eigenschaften auf Nanometerniveau untersuchen und schauen, ob eine Probe homogen magnetisch ist.» Deshalb erhalten die Forschenden in Villigen Material aus aller Welt, das oft nicht einfach herzustellen und für Experimente entsprechend gesucht ist.

Dazu gehören neben den magnetischen Halbleitern auch un konventionelle Supraleiter aus Eisen, eine Klasse von Materialien, die erst 2008 entdeckt wurde. Von der Untersuchung dieser Materialien erhoffen sich die Wissenschaftler generell mehr Einsicht in das Phänomen der Supraleitung, bei dem elektrischer Strom verlustfrei geleitet wird. «Bei den eisenbasierten und anderen unkonventionellen Supraleitern gibt es praktisch jeden Tag etwas Neues», sagt Elvezio Morenzoni begeistert. «Wenn etwas besonders Interessantes dabei ist, bemühen wir uns, das Material für eine Untersuchung zu bekommen. Dabei hilft natürlich eine gute Reputation.»