En BESSY II ha entrado en servicio una nueva e importante herramienta para la investigación de rayos X. Desarrollado mediante una colaboración entre HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Alemania) y NIST (Boulder CO, EE. UU.), el instrumento es el primer y único espectrómetro TES operado en una instalación de sincrotrón en Europa.
El nuevo sistema proporciona una mejora espectacular en la eficiencia de detección de fotones, superando a los espectrómetros de emisión de rayos X de dispersión de longitud de onda convencionales en un factor de 100 a 1.000. Los investigadores planean utilizarlo para estudiar las propiedades electrónicas de materiales atómicamente delgados, nanoestructuras y muestras altamente aleadas. El equipo ahora está invitando propuestas de investigación de la comunidad científica.
Aportando mayor sensibilidad a la espectroscopia de rayos X
Instalaciones como BESSY II producen rayos X sincrotrón extremadamente brillantes e intensos que permiten a los científicos analizar una amplia gama de materiales. Sin embargo, técnicas como la espectroscopia de emisión de rayos X (XES) y la dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) enfrentan un desafío importante. Debido a que estos métodos se basan en la detección de fotones emitidos por la muestra, requieren una gran cantidad de fotones para producir mediciones útiles.
En consecuencia, los experimentos XES y RIXS se han limitado tradicionalmente a muestras concentradas y materiales a granel.
“El detector de fotones de matriz de sensor de borde de transición superconductor (TES) que hemos introducido ahora en BESSY II es entre 100 y 1.000 veces más eficiente en la detección de fotones que los espectrómetros XES y RIXS convencionales”, afirmó Regis Dekker, HZB, científico a cargo del nuevo instrumento.
Explorando materiales cuánticos y sistemas ultrafinos
Una mayor sensibilidad abre la puerta a pruebas que antes eran difíciles o imposibles de realizar.
“Esto puede proporcionar nuevos conocimientos sobre la química molecular o la biología molecular, pero también sobre las propiedades cuánticas de sistemas en niveles reducidos, como monocapas atómicas, nanoestructuras e impurezas.
El instrumento también puede reducir drásticamente el tiempo de recopilación de datos. Algunos experimentos XES y RIXS que normalmente requerirían horas ahora se pueden completar en solo unos minutos.
248 sensores superconductores funcionando cerca del cero absoluto
En el corazón del espectrómetro de matriz TES hay 248 sensores que se vuelven superconductores cuando se enfrían a 25 mili-Kelvin. Para alcanzar esta temperatura, los investigadores utilizan un refrigerador de dilución de He4-He3 similar a los empleados en los sistemas de computación cuántica.
Cuando los rayos X interactúan con una muestra, la muestra emite fotones. Estos fotones golpean sensores individuales dentro del conjunto TES, provocando un aumento repentino de temperatura. Este breve calentamiento altera el estado superconductor y aumenta la resistencia eléctrica del sensor. Luego, el cambio se mide utilizando circuitos basados en una serie de dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID).
Manejo de muestras mejorado y futuras actualizaciones
El espectrómetro está conectado a una cámara de muestras de vacío ultraalto personalizada que admite la transferencia, preparación y medición de muestras. La cámara proporciona un control preciso de la temperatura desde 10 K hasta temperatura ambiente.
Todo el sistema está instalado en la línea de luz BESSY II UE52-SGM, que ofrece control total de polarización. Las actualizaciones planificadas incluyen capacidades mejoradas de preparación de muestras y la capacidad de estudiar componentes del campo magnético para dicroísmo circular magnético de rayos X en absorción (XMCD) y emisión (RIXS-MCD).
El único espectrómetro TES sincrotrón de Europa
Los espectrómetros TES se desarrollaron originalmente para aplicaciones de astrofísica, donde la detección de señales de fotones extremadamente débiles es esencial. Antes de la instalación en BESSY II, sólo cinco espectrómetros TES operaban en instalaciones de rayos X en todo el mundo, incluidos cuatro en los Estados Unidos y uno en Japón.
BESSY II alberga ahora el único espectrómetro TES sincrotrón de Europa.
“Esperamos recibir interesantes propuestas de investigación de nuestra comunidad de usuarios”, dijo Decker.
