"Sehen" mit Neutronen

Kommt ein Neutron im Kristall in die Nähe eines Elektrons, dann beeinflussen sich die beiden Teilchen gegenseitig über magnetische Kräfte – und sie können ihre Spins umklappen. Deshalb müssen die Physiker den Zustand der Neutronen vor dem Durchflug durch den Probenkristall exakt kennen. Dann brauchen sie nur noch den Zustand der Neutronen nach dem Durchgang durch die Probe zu messen. Aus dieser Zustandsveränderung erhalten sie Informationen über die Elektronen im Kristall.

Bernhard Keimer benutzt für seine Forschung „Mikroskope“, die mit Neutronen arbeiten. Er erklärt, wie sie funktionieren: „Erst einmal produziert ein Forschungsreaktor die Neutronen.“ Diese speziellen, kleinen Kernreaktoren stehen zum Beispiel am Institut Laue-Langevin in Grenoble oder an der neuen Forschungsneutronenquelle FRM-II der TU München in Garching. „Diese Neutronen haben allerdings ganz verschiedene Energien“, fährt Keimer fort, „daraus muss man dann Neutronen mit einer ganz bestimmten Energie und einem bestimmten Spin selektieren.“ Danach bleiben Neutronen übrig, deren Eigenschaften die Physiker nun ganz genau kennen: Sie haben alle die gleiche „Einfallsenergie“, und auch ihre Spins deuten alle in die gleiche, bekannte Richtung.

Die Physiker zielen nun mit dem Strahl der so präparierten Neutronen auf ihren Probenkristall. Einige Neutronen kommen darin den Elektronen so nahe, dass sie abgelenkt werden. Physiker nennen dieses Ablenken „Streuen“. „Der an der Probe gestreute Strahl wird nun analysiert“, erklärt Bernhard Keimer, „das heißt, die Einfallsenergie und die Austrittsenergie der Neutronen gemessen.“ Dafür sorgt ein Detektor, der diese Neutronen nach der Probe einfängt. „Dann werden beide Energien einfach von einander subtrahiert, das ergibt dann die Anregungsenergie der Supraleitung“, fährt der Festkörperphysiker fort: „Außerdem misst man noch den Spin der Neutronen vor und nach der Streuung an der Probe.“

Das Messprinzip ist also gar nicht so schwer zu verstehen, aber die Experimente sind technisch sehr aufwändig. Der Forschungsreaktor selbst steckt hinter dicken Betonmauern, um die Umgebung vor gefährlicher radioaktiver Strahlung zu schützen. Einzig durch bestimmte Öffnungen können die im Reaktor frei werdenden Neutronen in Vakuumröhren zu den Experimenten fliegen. Dort sorgen große Stapel aus Beton- und Bleiblöcken dafür, dass Mensch und Natur keine Strahlung abbekommen. Nur die Probe und die Detektoren sind den Neutronen ausgesetzt.

Die Gewinnung der Messdaten ist eine technische Herausforderung. „Schon die Detektion der Neutronen ist gar nicht so einfach“, sagt Keimer, „denn das sind ja neutrale Partikel, die keinen elektrischen Strom erzeugen.“ Elektrische Ströme haben den Vorteil, dass sie sehr leicht und empfindlich messbar sind. Deshalb verwenden die Physiker einen Trick, um das Signal der Neutronen doch in einen elektrischen Strom umzuwandeln. „Es gibt verschiedene Prinzipien, nach denen solche Detektoren funktionieren“, erklärt der Max-Planck-Direktor, „und eines davon sind Reaktionen in den Atomkernen, bei denen Protonen erzeugt werden.“ Diese Protonen sind elektrisch positiv geladen und als fließender Strom gut messbar.

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