Ein Magnet in Japan erreicht ein Feld von 1.200 Tesla und zerstört dabei seine eigene Spule. Bei dem Versuch hält auch die Tür der Schutzkammer der heftigen Stoßwelle nicht stand. Solche Entladungen eröffnen Materialforschern einen Zugang zu Zuständen, die gewöhnliche Labormagnete nicht erzeugen können. Den eigentlichen Nutzen liefert ein winziger Raum, der nur für einen Augenblick existiert.
Als Shojiro Takeyama 2018 mit seinem Team in Kashiwa einen Magneten erprobte, erreichte das Feld einen Spitzenwert von 1.200 Tesla. Der Physiker arbeitete am Institut für Festkörperphysik der Universität Tokio, wo das Gerät eigens für solche extremen Entladungen entwickelt worden war. Mit starken Magnetfeldern lassen sich die Bewegungen und magnetischen Eigenschaften von Elektronen beeinflussen, die das Verhalten eines Materials bestimmen.
Takeyama hatte mit ungefähr 700 Tesla gerechnet und das eiserne Schutzgehäuse für die dabei erwarteten Kräfte ausgelegt. Während des Versuchs verbog sich dessen Tür und brach, wie der Wissenschaftler in einem Interview mit IEEE Spectrum schilderte. Die Mitarbeiter befanden sich während der Entladung in einem getrennten Kontrollraum, außerhalb des Bereichs der fliegenden Metallstücke. Normalerweise sollte der Schutzkasten die Druckwelle abfangen und verhindern, dass sie empfindliche Teile der benachbarten elektrischen Anlage beschädigt.
Die Energie für den Versuch sammelte sich zuvor in einer Kondensatoranlage, deren Speicher in einem eigenen Raum neben dem Experiment standen. Beim Rekordschuss steckten darin 3,2 Megajoule, die bei der Entladung schlagartig zur zentralen Spule des Versuchsaufbaus übertragen wurden. Eine Ladespannung von 45 Kilovolt trieb die Entladung an, während kräftige elektrische Schalter ihren gemeinsamen Start festlegten. Über die gebündelten Hochspannungsleitungen gelangte der Strom zu massiven Sammelplatten, die ihn unmittelbar vor dem Versuchsaufbau zusammenführten. Sämtliche Kabel waren jeweils 30 Meter lang, damit die Entladung aus den räumlich verteilten Speichern möglichst gleichmäßig am gemeinsamen Ziel ankam.
Zusätzliche Spulen erzeugten bereits vor diesem Stromstoß ein Anfangsfeld, das durch die hohle Mitte der Apparatur verlief. Darin saß ein dünnwandiger Kupferzylinder, von den Physikern als Liner bezeichnet, umgeben von einer wesentlich schwereren Außenspule. Deren Stahlkörper verlieh ihr Trägheit, während eine innenliegende Kupferschicht den größten Teil des elektrischen Stroms führte. Diese Aufgabenteilung der Metalle verbesserte den Energieübertrag gegenüber früheren Konstruktionen und half, die anschließende Bewegung des Zylinders gleichmäßiger ablaufen zu lassen.
Der Stromstoß induzierte in der leichten Hülle einen entgegengesetzt gerichteten Strom, sodass zwischen ihr und der Außenspule starke abstoßende Kräfte entstanden. Während der schwere äußere Ring zunächst nahezu an seinem Platz blieb, wich der innere Zylinder in Richtung seiner Achse aus. Sein ursprünglicher Durchmesser von knapp zwölf Zentimetern schrumpfte dabei so stark, dass das eingeschlossene Magnetfeld auf einen immer engeren Raum gedrängt wurde. Physiker nennen dieses Verfahren elektromagnetische Flusskompression, weil die bewegte Metallwand den vorhandenen magnetischen Fluss konzentriert und damit das Feld verstärkt.
Mit zunehmender Enge wuchs der magnetische Gegendruck im Inneren, bis die nach innen rasende Hülle ihren Umkehrpunkt erreichte. Bis zu dieser stärksten Kompression vergingen rund 40 Mikrosekunden, in denen elektrische Energie zunächst in Bewegung und dann in das verdichtete Feld überging. Anschließend bewegte sich das Metall wieder nach außen und traf mit gewaltiger Geschwindigkeit auf die umgebende Hauptspule. Beide Bauteile wurden dabei zerstört; dieser Verlust gehörte zum Verfahren, mit dem das Team die Grenzen haltbarer Magnetkonstruktionen überschritt.
Am Ende der Kompression blieb für den entscheidenden Messwert eine Öffnung von schätzungsweise drei Millimetern Durchmesser übrig. Eine darin platzierte Messspule aus feinem Draht registrierte das wachsende Feld zunächst über die elektrische Spannung, die es induzierte. Bei ungefähr 600 Tesla versagte diese Sonde, weil der rasche Feldanstieg ihre Isolierung elektrisch überforderte und das verwertbare Signal abriss. Für den weiteren Verlauf brauchte das Team deshalb einen Messweg, der ohne diesen empfindlichen Draht im Zentrum auskam. Auch gewöhnliche Bildaufnahmen stoßen dort an Grenzen, weil ein heller Lichtbogen den Blick auf die innerste Metallwand verdecken kann.
Daisuke Daisuke Nakamura und seine Kollegen verwendeten dafür eine optische Sonde, deren Lichtsignal sie über eine Glasfaser zum Messsystem führten. Das Magnetfeld dreht die Schwingungsebene von polarisiertem Licht beim Durchgang durch geeignetes transparentes Material, ein Effekt namens Faraday-Rotation. Aus dem gemessenen Drehwinkel lässt sich bei bekannten Materialeigenschaften und bekannter Lichtwellenlänge die Stärke des durchquerten Feldes berechnen. Dieser optische Kanal lieferte noch bis unmittelbar vor dem Ende der Implosion Daten und erlaubte damit, die Spitze des Feldverlaufs zu erfassen.
Die höchste Feldstärke allein sagt wenig darüber aus, welche Experimente sich mit einer Anlage tatsächlich durchführen lassen. Frühere Freilandversuche benötigten große Mengen chemischer Explosivstoffe und zerstörten ihre Aufbauten, was wiederholte Messungen unter vergleichbaren Bedingungen erschwerte. Ein stabil arbeitender Hybridmagnet verfolgt dagegen ein anderes Ziel, denn er hält sein Feld für längere Untersuchungen aufrecht. Bei der japanischen Anlage gehören die kurze Lebensdauer des Feldes und der Austausch verbrauchter Bauteile zum Preis für besonders extreme Messbedingungen.
Auch ein Magnetfeld zum Einschließen von Fusionsplasma muss eine andere Aufgabe erfüllen als ein kurzer Entladungspuls für Materialuntersuchungen. Dort zählt, dass die Anlage das heiße Gas im vorgesehenen Bereich hält und dabei weiter betrieben werden kann. Für Festkörperexperimente bestimmen dagegen auch die Größe des nutzbaren Raums, die Dauer des Messfensters und elektrische Störungen die Aussagekraft. Sehr kurze, räumlich winzige Felder aus Laserversuchen können daher trotz hoher Spitzenwerte für bestimmte Messungen weniger geeignet sein.
Welchen Erkenntnisgewinn die aufwendige Methode ermöglicht, untersuchte Yasuhiro Matsuda mit Kollegen an dünnen Schichten aus Vanadiumdioxid mit zugesetztem Wolfram. Für den Versuch kühlte das Team die Probe zunächst auf 14 Kelvin ab und durchleuchtete sie mit einem Nahinfrarotlaser. Während das Feld anstieg, gelangte zunehmend weniger Licht durch das Material, bis das Signal den metallischen Zustand erkennen ließ. Die Forscher beschrieben diesen Wechsel in Nature Communications und konnten damit eine gezielte Änderung der elektronischen Eigenschaften nachweisen.
In der untersuchten Variante waren sechs Prozent der Vanadiumplätze durch Wolfram besetzt, wodurch sich die Bedingungen für den Übergang verschoben. Das Ergebnis spricht dafür, dass das Feld Bindungen zwischen benachbarten Vanadiumatomen destabilisiert und zuvor gebundene Elektronen beweglich werden lässt. Ungedoptes Vanadiumdioxid zeigte unter den geprüften Bedingungen bis zur höchsten dort eingesetzten Feldstärke keinen vergleichbaren Wechsel seiner optischen Durchlässigkeit. Gerade der Vergleich unterschiedlicher Zusammensetzungen hilft, konkurrierende Erklärungen für das Umschalten solcher Materialien zu prüfen, bei denen Temperatur, Kristallstruktur und Elektronen einander beeinflussen.
Mitautor Akihiko Ikeda entwickelte außerdem einen Weg, winzige Längenänderungen von Proben während eines starken Magnetpulses optisch zu verfolgen. Dafür nutzt er ein in eine Glasfaser eingeschriebenes Gitter, dessen reflektiertes Licht auf eine Dehnung der Faser reagiert. Solche Messungen erfassen, wie eng die magnetischen Zustände eines Kristalls mit seiner räumlichen Struktur verknüpft sind. An einem Kobalt enthaltenden Oxid ließen sich damit neue Materialzustände untersuchen, deren Übergänge sich im Verformen der Probe verraten.
Für weitere Versuche bietet das Institut in Kashiwa eine Heliumkühlung bis etwa 4,2 Kelvin an, die in den engen Probenraum passt. Die Datenerfassung muss dabei mit mehr als zehn Megahertz arbeiten, damit innerhalb eines einzigen Pulses ausreichend Messpunkte anfallen. Auch die untersuchte Probe geht bei dieser Art der Flusskompression verloren, weshalb für jede Wiederholung neues Material bereitliegen muss. Dicke Metallbauteile sind im Messbereich ungeeignet, weil das rasch veränderliche Feld darin Ströme induziert, die zu starker Erwärmung führen. Bei leitfähigen Proben verlangt das Labor deshalb dünne Filme, feine Drähte oder kleine Partikel, deren Abmessungen solche störenden Wärmeeffekte begrenzen.
Review of Scientific Instruments, Record indoor magnetic field of 1200 T generated by electromagnetic flux-compression; doi:10.1063/1.5044557
AppliedPhys, Bridging the Gap Between Extreme Environments and Precision Measurements: Recent Progress in Megagauss Physics; doi:10.3390/appliedphys2020006
Nature Communications, Magnetic-field-induced insulator–metal transition in W-doped VO2 at 500 T; doi:10.1038/s41467-020-17416-w
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