Präzise Daten über winzige Magnete – Mathias Claus hat einen Sensor entwickelt, mit dem sich der Magnetismus kleinster Magnete untersuchen lässt

Mathias Claus hat in seiner prämierten Masterarbeit in der Gruppe von Professor Dr. Martino Poggio am Department Physik der Universität Basel eine Torsionswippe entwickelt, mit der sich die Magnetisierung winzig kleiner Magnete genaustens untersuchen lässt. Seine Arbeit war so erfolgreich, dass er gleich im Anschluss an den Master mit seiner Doktorarbeit begann. Das Ziel dabei ist, den Sensor so zu optimieren, dass sich damit auch neue hauchdünne, zweidimensionale magnetische Materialien untersuchen lassen.

Mathias Claus gewinnt ebenfalls den Preis für die beste Masterarbeit in Nanowisseschaften an der Universität Basel. Er hat einen Sensor entwickelt, mit dem sich der Magnetismus von winzigen Magneten untersuchen lässt. (Bild: C. Möller, SNI)

An zwei Enden fixiert
Die Magnetisierung von kleinen Magneten wird häufig mithilfe winziger Federbalken (Cantilever), welche die Probe abtasten, analysiert. Mathias Claus hat in seiner Masterarbeit einen anderen sehr vielversprechenden Ansatz untersucht, um die Magnetisierung kleinster Magnete zu studieren. Er hat eine sogenannten Torsionswippe, auch Drehmomentsensor genannt, verwendet. Diese Miniwippe ist rechts und links an einer Feder befestigt und schwingt daher wie ein Pendel mit einer bestimmten Frequenz hin- und her.

«Wenn wir nun einen kleinen Magneten auf dieser Torsionswippe platzieren und ein äusseres Magnetfeld anlegen, ändert sich die Schwingungsfrequenz des Sensors. Wie sich die Frequenz ändert, hängt dabei vor allem von der Magnetisierung des kleinen Magneten ab», erklärt Mathias Claus. «Über die gemessene Frequenzänderung erhalten wir Rückschlüsse auf die magnetischen Eigenschaften des Magneten.»

Dabei helfen den Forschenden vorangehende Computersimulationen, mit denen die Frequenzänderungen der Schwingungen in Abhängigkeit von der Magnetisierung berechnet werden. «Je besser die Simulationen mit den Messergebnissen übereinstimmen, umso genauer ist das Bild der Magnetisierung und desto aussagekräftiger sind unsere Untersuchungen», erläutert Mathias.

 

Auch für Supraleiter geeignet
Das von Mathias in seiner Masterarbeit entwickelte und getestete Sensorsystem lässt sich auch anwenden, um Supraleiter genauer zu beschreiben. Dazu platzieren die Forschenden den zu untersuchenden ringförmigen Supraleiter auf der Torsionswippe, induzieren darin einen elektrischen Strom und verändern die Temperatur im System. Erreichen sie die kritische Temperatur – also die Temperatur, bei der der Supraleiter elektrischen Strom widerstandslos leitet – ändert sich der Stromfluss drastisch. Damit verändert sich auch das magnetische Feld, was sich wiederum über die veränderte Schwingungsfrequenz der Torsionswippe messen lässt.

Nur mit dem Mikroskop lässt sich die von Mathias entwickelte Torsionswippe darstellen. (Bild: C. Möller)

Forschung geht weiter
Für Mathias ist die Thematik so faszinierend, dass er gleich im Anschluss an seinen Master die Forschung an diesem besonderen, neuen Sensortyp weiterführt – jetzt allerdings als Doktorand in der SNI-Doktorandenschule. Professorin Ilaria Zardo und Professor Martino Poggio vom Departement Physik der Universität Basel betreuen ihn dabei.

Die Forschenden sind der Überzeugung, dass solch ein Drehmomentsensor deutlich sensitiver sein kann als herkömmliche Cantileversensoren. Doch es gibt noch eine ganze Menge zu tun. «Zurzeit bin ich dabei den Qualitätsfaktor meines Geräts zu verbessern», berichtet Mathias. «Dazu ist es wichtig, die Gitterschwingung (Phononen) der Torsionswippe abzuschirmen, sodass weniger Phononen von aussen mit dem Sensor koppeln und gleichzeitig weniger Phononen, die zur Messung nötig sind, verloren gehen.»

Danach wird Mathias einen standardisierten Produktionsprozess etablieren und versuchen die magnetischen Eigenschaften hauchdünner, zweidimensionaler Heteromaterialien mit dem neuen Sensor zu charakterisieren.

Die Forschung von Mathias wird vor allem dazu beitragen, grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen an Mikro- und Nanomagneten durchzuführen. Für die neuen, zweidimensionalen Heterostrukturen, die er untersuchen möchte, werden eine Vielzahl möglicher Anwendungen in der Elektronik, Sensorik oder Computertechnologie diskutiert.

«Das Beeindruckendste an Mathias` Arbeit ist, dass wir zunächst mit einer Idee für den idealen magnetischen Drehmomentsensor im Nanobereich begonnen haben. Im Laufe seines Projekts hat Mathias dann ein hochmodernes Herstellungsverfahren entwickelt und nach Tests mit dem Sensor gezeigt, dass er die bisher verwendeten Sensoren sogar teilweise übertrifft.»

Professor Dr. Martino Poggio, Departement Physik, Universität Basel

Für seine Doktorarbeit optimiert Mathias den Sensor, den er in seiner Masterarbeit entwickelt hat. (Bild: C. Möller)

Entscheidung für Physik kam recht spät
Mathias hat mit diesem Thema eine Aufgabe gefunden, die ihm richtig Spass macht. «Es ist faszinierend, wie wir mit neuen lithografischen Methoden so winzige Strukturen herstellen können – das ist fast schon Kunst», erzählt er begeistert.

Diese Begeisterung für Nanofabrikation und Physik hat sich bei Mathias erst im Laufe seines Bachelorstudiums in Nanowissenschaften entwickelt. Zu Beginn des Nanostudiums im Jahr 2015 war er vor allem an der Interdisziplinarität und an biologischen Fragestellungen des Nanostudiums interessiert. Doch nach und nach kam bei Mathias das Gefühl hoch, dass die Physik die treibende Kraft bei so vielen Errungenschaften auch in der Biologie und Medizin sei. Und so probierte er es einfach mit einem Blockkurs in Physik, wie er erzählt: «Ich habe einen Blockkurs im Kryolab bei Professor Zumbühl gemacht und gemerkt, dass ich das packe, wenn ich mich bemühe.»

Und wie wir sehen, hat es bestens geklappt. Für Mathias war es vor vielen Jahren eine absolut richtige Entscheidung aus der Ostschweiz nach Basel zu kommen und mit dem Nanostudium zu beginnen. Neben dem spannenden interdisziplinären Curriculum war es auch der gute Kontakt zu den anderen Studierenden und zu den Dozierenden, der ihm besonders gefallen hat. «Ich habe mich von Anfang an hier in Basel wohl gefühlt und bin froh, jetzt auch noch weiterhin in einem tollen Team und als Mitglied der SNI-Doktorandenschule forschen zu können.»

Weitere Informationen:

Forschungsgruppe Martino Poggio
https://poggiolab.unibas.ch

Kuzes Video über Mathias und Vera:
https://youtu.be/DyoPupfgaMs