Project

Magnetic nanoparticles; Photoemission electron microscopy; X-rays

Lead
Magnetische Nanopartikel sind wichtige Komponenten für Anwendungen in Bereichen wie der Mikroelektronik, der Datenspeicherung, sowie der Bildgebung und Tumorbekämpfung in der Medizin. Der optimale Einsatz von Nanopartikeln in solchen Anwendungen erfordert eine möglichst genaue Kenntnis ihrer grössenabhängigen magnetischen Eigenschaften und der Möglichkeiten ihrer Kontrolle. Trotz intensiver Forschung in den vergangenen Jahrzehnten ist es jedoch noch nicht gelungen, ein ausreichend präzises Verständnis der magnetischen Eigenschaften von realen Nanopartikeln zu entwickeln. Dies ist nicht nur von Nachteil für bereits bestehende Anwendungen, sondern erschwert auch die Entwicklung neuartiger Verfahren, wie zum Beispiel zur kontrollierten, ultraschnellen Ummagnetisierung von Nanopartikeln.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Das vorliegende Projekt hat zum Ziel den Zusammenhang zwischen atomarer Struktur und magnetischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln, z.B. Eisen, Kobalt oder Nickel, zu untersuchen. Dazu verfolgen wir einen neuartigen, komplementären Ansatz, der die Stärken von Röntgenmikroskopie und höchstauflösender Transmissionselektronenmikroskopie verbindet. Dabei werden die magnetischen Eigenschaften einzelner Nanopartikel mit dem Röntgenmikroskop untersucht und anschliessend deren atomare Struktur im Transmissionselektronenmikroskop experimentell erfasst. In einem zweiten Schritt werden wir untersuchen, ob sich die Magnetisierung von derartigen Nanopartikeln mit Hilfe ultrakurzer Femtosekundenlaserpulse umschalten lässt und welchen Einfluss die Grösse und Struktur der Partikel dabei haben.   Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Unsere Experimente werden es erlauben, existierende Modelle zum Magnetismus von Nanopartikeln zu verbessern und damit eine realistische Vorhersage der magnetischen Eigenschaften zu erreichen. Aus diesem Wissen lassen sich Strategien zur gezielten Herstellung von Partikeln mit den, für entsprechende Anwendungen erforderlichen, Eigenschaften entwickeln. Das Umschalten der Magnetisierung von Nanopartikeln mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen wird zur Entwicklung neuer Anwendungen in der Datenspeicherung und –verarbeitung beitragen.   Keywords Magnetic nanoparticles, X-rays, photoemission electron microscopy, ultrashort laser pulse

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Last update: 04.06.2015

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Magnetic nanoparticles offer to study a rich variety of complex interactions, leading to new insights into fundamental physical properties and enabling to design functionalities in advanced materials. They are relevant in magnetic data storage application and are employed in sensors and medical applications. Understanding the scaling laws covering their properties and resolving the competing energy contributions is important in order to advance this field. Unique phenomena of magnetic nanoparticles are stable single domain states and superparamagnetic behaviour. Despite of considerable experimental and theoretical efforts, a clear understanding of their size-dependent properties has not yet been achieved. This is largely due to a distinct sensitivity of the nanoparticles magnetic properties to their microscopic structure and the details of their interfacial coupling. Here, we propose to tackle this challenge with a novel experimental approach to study the properties of individual magnetic nanoparticles. We will further push the limits of X-ray photoemission electron microscopy for the detection of single nanoparticles taking full advantage of the elemental, chemical, magnetic and electronic sensitivity of spatially resolved X-ray absorption spectroscopy. In this project, we will focus onto single pure and multi-component nanoparticles of 3d transition metals in the size range of 5-25 nm and will address the following two main questions:•What is the interplay of structure, surface and magnetic properties of nanoparticles?•Can this interplay be used to push the all-optical manipulation of magnetism down to nanoparticles?In particular, we will study the effect of external stimuli such as chemical dosing and ultra-short laser pulses onto the static and dynamic magnetic properties of the nanoparticles. The latter is an intriguing new pathway for an alternative “non-magnetic” approach to control spin systems, since it has been discovered that ultrafast laser pulses can reverse the magnetization in certain magnetic materials. The underlying physical mechanism is subject to intense experimental and theoretical research. However, most of these efforts focus so far on extended thin film systems. Within this project we aim to study optical manipulation in magnetic nanoparticles. Besides their particular relevance for applications, we expect that making use of their unique properties will contribute to the understanding of all-optical control in magnetic materials. Another important emphasis is to correlate the microscopic structure with the magnetic properties by measuring the very same, isolated individual nanoparticles with X-ray photoemission electron microscopy and with high resolution transmission electron microscopy. This unique capability will enable to achieve a fundamental understanding of nanoparticle magnetism as well as to provide canonical datasets, which can serve as testing ground for theory.