3D beelden worden niet alleen in de medische wereld gemaakt, zoals met behulp van röntgen- of kernspinresonantie tomografie. Ook materiaaldeskundigen kijken graag in het inwendige van een object. Onderzoekers van het Hahn-Meitner Institut (HMI) in Berlijn zijn er in geslaagd om magnetische velden in het inwendige van massieve, niet transparante materialen driedimensionaal op te nemen.
De onderzoekers hebben daarvoor neutronentomografie gebruikt. Neutronen, de ongeladen elementaire deeltjes, bezitten een zogenaamd magnetisch moment dat bijzonder geschikt is om het fenomeen als magnetisme te onderzoeken. Ze gedragen zich in een magneetveld als een kompasnaald, dat betekent dat ze kleine cirkelbewegingen om de as van een aangelegd magnetisch veld maken. Fysici spreken van de neutronenspin. Deze kan gepolariseerd worden, wat betekent dat alle kompasnaalden zich gelijkmatige richten in het magnetisch veld. Wordt een probe met zulke gepolariseerd spinnende neutronen bestraald, dan verandert de hoek van de kleine cirkel, de spinrotatie.
Tomografie
Het team onderzoekers heeft dit als meetparameter voor de tomografie-experimenten gebruikt. Ze hebben apparatuur ontwikkeld, zogenoemde analysatoren, die alleen neutronen met een bepaalde draairichting doorlaten. Daarmee wordt het beeld opgebouwd. Een vergelijking met een medische CT scan ligt voor de hand: botten of weefsel laten bij bestralen met röntgen afhankelijk van de dichtheid de straling met een verschillende intensiteit door. Zo ongeveer gaat het ook met de magnetische probe in Berlijn die de spinrotatie van de neutronen verandert. De analysator laat daarna alleen neutronen met de bepaalde draaiing door, waardoor het contrast wordt opgewekt. Dit is afhankelijk van de wijze waarop de magnetische eigenschappen in de probe verdeeld zijn. Als men daarbij de probe ook nog draait, ontstaat een 3D beeld.
Links: het magnetisch veld van een tweepolige magneet, zichtbaar gemaakt met behulp van gepolariseerde neutronen. Rechts: een twee polige magneet zweeft boven een gekoelde supergerleider, een keramische stof van YBCO (Meisner-effect). De magneetvelden werden met behulp van neutronen met gepolariseerde spin zichtbaar gemaakt.
Het team onderzoekers heeft sinds 2005 bij HMI gewerkt aan de neutronentomografie en is nu het eerste team dat de spinrotatie als meetsignaal voor de beeldvorming gebruikt. Normaal gebruiken wetenschappers zoals bij het licht, de simpele absorptie van de straling respectievelijk de kwaliteit van een probe, om straling door te laten. Een andere grondslag voor het succes van de experimenten waren de polarisatoren en analysatoren en de detectoren voor plaatselijke oplossingen, die de HMI onderzoekers naar eigen ontwerp hebben gebouwd.
Van belang voor supergeleiding
Magnetisme is een van de centrale onderzoeksvelden aan het HMI. Voor het begrip van de supergeleiding bij hoge temperaturen is het bijvoorbeeld belangrijk te begrijpen, hoe de magnetische krachtlijnen zich verdelen en hoe men deze krachtlijnen in het materiaal kan vasthouden. Met het opgebouwde experiment wordt het nu onder andere mogelijk om magnetische domeinen in magnetische kristallen driedimensionaal te visualiseren.
