Ένα σημαντικό νέο εργαλείο για την έρευνα ακτίνων Χ τέθηκε σε λειτουργία στο BESSY II. Αναπτύχθηκε μέσω μιας συνεργασίας μεταξύ των HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Γερμανία) και NIST (Boulder CO, ΗΠΑ), το όργανο είναι το πρώτο και μοναδικό φασματόμετρο TES που λειτουργεί σε μια εγκατάσταση σύγχροτρον στην Ευρώπη.
Το νέο σύστημα προσφέρει δραματική βελτίωση στην αποτελεσματικότητα ανίχνευσης φωτονίων, ξεπερνώντας τα συμβατικά φασματόμετρα εκπομπής ακτίνων Χ με διασπορά μήκους κύματος κατά συντελεστή 100 έως 1000. Οι ερευνητές σχεδιάζουν να το χρησιμοποιήσουν για να μελετήσουν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες ατομικά λεπτών υλικών, νανοδομών και δειγμάτων υψηλής κραμάτων. Η ομάδα καλεί τώρα ερευνητικές προτάσεις από την επιστημονική κοινότητα.
Φέρνοντας μεγαλύτερη ευαισθησία στη φασματοσκοπία ακτίνων Χ
Εγκαταστάσεις όπως το BESSY II παράγουν εξαιρετικά φωτεινές και έντονες ακτίνες Χ συγχρονών που επιτρέπουν στους επιστήμονες να αναλύσουν ένα ευρύ φάσμα υλικών. Ωστόσο, τεχνικές όπως η φασματοσκοπία εκπομπής ακτίνων Χ (XES) και η συντονισμένη ανελαστική σκέδαση ακτίνων Χ (RIXS) αντιμετωπίζουν μια σημαντική πρόκληση. Επειδή αυτές οι μέθοδοι βασίζονται στην ανίχνευση φωτονίων που εκπέμπονται από το δείγμα, απαιτούν μεγάλους αριθμούς φωτονίων για να παράγουν χρήσιμες μετρήσεις.
Κατά συνέπεια, τα πειράματα XES και RIXS περιορίζονται παραδοσιακά σε συμπυκνωμένα δείγματα και χύδην υλικά.
«Ο ανιχνευτής φωτονίων με διάταξη υπεραγώγιμων άκρων μετάβασης (TES) που έχουμε εισαγάγει τώρα στο BESSY II είναι περίπου 100 έως 1000 φορές πιο αποτελεσματικός στην ανίχνευση φωτονίων από τα συμβατικά φασματόμετρα XES και RIXS», δήλωσε ο Regis Dekker, HZB, επιστήμονας υπεύθυνος για το νέο όργανο.
Εξερευνώντας κβαντικά υλικά και εξαιρετικά λεπτά συστήματα
Η αυξημένη ευαισθησία ανοίγει την πόρτα σε δοκιμές που προηγουμένως ήταν δύσκολο ή αδύνατο να πραγματοποιηθούν.
«Αυτό μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για τη μοριακή χημεία ή τη μοριακή βιολογία, αλλά και για τις κβαντικές ιδιότητες συστημάτων σε μειωμένα επίπεδα, όπως ατομικές μονοστιβάδες, νανοδομές και ακαθαρσίες.
Το όργανο μπορεί επίσης να μειώσει δραματικά τον χρόνο συλλογής δεδομένων. Ορισμένα πειράματα XES και RIXS που κανονικά απαιτούσαν ώρες μπορούν τώρα να ολοκληρωθούν σε λίγα μόνο λεπτά.
248 Υπεραγώγιμοι αισθητήρες που λειτουργούν κοντά στο απόλυτο μηδέν
Στην καρδιά του φασματόμετρου συστοιχίας TES βρίσκονται 248 αισθητήρες που γίνονται υπεραγώγιμοι όταν ψύχονται στα 25 milli-Kelvin. Για να επιτύχουν αυτή τη θερμοκρασία, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα ψυγείο αραίωσης He4-He3 παρόμοιο με αυτά που χρησιμοποιούνται στα συστήματα κβαντικών υπολογιστών.
Όταν οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν με ένα δείγμα, το δείγμα εκπέμπει φωτόνια. Αυτά τα φωτόνια χτυπούν μεμονωμένους αισθητήρες εντός της συστοιχίας TES, προκαλώντας μια ξαφνική αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτή η σύντομη θέρμανση διαταράσσει την υπεραγώγιμη κατάσταση και αυξάνει την ηλεκτρική αντίσταση του αισθητήρα. Η αλλαγή στη συνέχεια μετράται χρησιμοποιώντας κυκλώματα που βασίζονται σε μια διάταξη υπεραγώγιμων κβαντικών συσκευών παρεμβολής (SQUIDs).
Βελτιωμένος χειρισμός δειγμάτων και μελλοντικές αναβαθμίσεις
Το φασματόμετρο συνδέεται με έναν προσαρμοσμένο θάλαμο δειγμάτων εξαιρετικά υψηλού κενού που υποστηρίζει μεταφορά, προετοιμασία και μέτρηση δείγματος. Ο θάλαμος παρέχει ακριβή έλεγχο θερμοκρασίας από 10 K έως θερμοκρασία δωματίου.
Ολόκληρο το σύστημα είναι εγκατεστημένο στη γραμμή δέσμης BESSY II UE52-SGM, η οποία προσφέρει πλήρη έλεγχο πόλωσης. Οι προγραμματισμένες αναβαθμίσεις περιλαμβάνουν βελτιωμένες δυνατότητες προετοιμασίας δειγμάτων και τη δυνατότητα μελέτης στοιχείων μαγνητικού πεδίου για μαγνητική κυκλική διχρωμία ακτίνων Χ στην απορρόφηση (XMCD) και στην εκπομπή (RIXS-MCD).
Το μοναδικό φασματόμετρο TES σύγχροτρον στην Ευρώπη
Τα φασματόμετρα TES αναπτύχθηκαν αρχικά για εφαρμογές αστροφυσικής, όπου η ανίχνευση εξαιρετικά αδύναμων σημάτων φωτονίων είναι απαραίτητη. Πριν από την εγκατάσταση στο BESSY II, μόνο πέντε φασματόμετρα TES λειτουργούσαν σε εγκαταστάσεις ακτίνων Χ παγκοσμίως, συμπεριλαμβανομένων τεσσάρων στις Ηνωμένες Πολιτείες και ενός στην Ιαπωνία.
Το BESSY II φιλοξενεί τώρα το μοναδικό φασματόμετρο TES σύγχροτρον στην Ευρώπη.
«Ανυπομονούμε να λάβουμε συναρπαστικές ερευνητικές προτάσεις από την κοινότητα των χρηστών μας», δήλωσε ο Decker