Europas erstes supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer an einer Röntgenquelle ist an BESSY II in Betrieb gegangen, entwickelt von Teams aus HZB, MPI-CEC und NIST. Das neue Instrument ist zwei bis drei Größenordnungen empfindlicher bei der Detektion von Photonen als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer und ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter atomarer und molekularer Proben zu untersuchen.
Synchrotronstrahlungsquellen wie BESSY II liefern intensives, hochbrillantes Röntgenlicht, mit dem sich unterschiedlichste Proben untersuchen lassen. Allerdings sind Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS), bei denen die von der Probe emittierten Photonen detektiert werden, äußerst photonenhungrige Techniken. Daher waren XES und RIXS bisher weitgehend auf hochkonzentrierte und voluminöse Proben beschränkt.
„Dieses besondere TES-Spektrometer kann neue Einblicke in die Molekularchemie oder Molekularbiologie, aber auch in die Quanteneigenschaften von Systemen in reduzierter Dimension wie atomaren Monoschichten, Nanostrukturen und Verunreinigungen liefern. Damit ergänzt es Methoden wie ARPES, die elektronische Bandstrukturen abtasten“, sagt Régis Decker, der als Physiker am HZB für das neue Instrument verantwortlich ist. Darüber hinaus lassen sich manche XES- und RIXS-Messungen, die sonst Stunden dauern, mit diesem Instrument in wenigen Minuten durchführen.
Das TES-Array-Spektrometer enthält 248 Sensoren, die bei einer Kühlung auf 25 mK supraleitend sind. Eine so niedrige Temperatur wird mit einem He4-He3-Verdünnungskühlschrank erreicht, ähnlich denen, die für Quantencomputer verwendet werden. Treffen Röntgenstrahlen auf die Probe, reagiert sie, indem sie selbst Photonen emittiert.
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Diese Photonen erreichen dann einzelne Sensoren im Array und verursachen einen abrupten Temperaturanstieg, der den supraleitenden Zustand kurzzeitig zerstört und den Widerstand des Sensors erhöht, der durch eine Schaltung auf Basis eines Arrays von supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUIDs) erfasst wird.
Das Spektrometer ist an einer speziell angefertigten Ultrahochvakuum-Probenkammer angebracht, die den Transfer, die Vorbereitung und die Messung von Proben mit präziser Temperaturregelung von 10 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Das Ensemble aus Spektrometer und Probenkammer ist an der BESSY II UE52-SGM-Beamline installiert, wo die Polarisation kontrolliert werden kann. Zukünftig sollen die Kapazitäten zur Probenvorbereitung weiter ausgebaut werden und Messungen von Proben in Magnetfeldern für den magnetischen Zirkulardichroismus in der Absorption (XMCD) und Emission (RIXS-MCD) von Röntgenstrahlen möglich sein.
TES-Spektrometer wurden ursprünglich für astrophysikalische Messungen entwickelt, um selbst schwächste Photonenflüsse aus dem All auswerten zu können. Bislang gab es weltweit nur fünf TES-Spektrometer an Röntgenquellen, vier davon in den USA und eines in Japan. BESSY II beherbergt nun das einzige Synchrotron-TES-Spektrometer in Europa. „Wir freuen uns auf spannende Forschungsvorschläge aus unserer Nutzergemeinschaft“, sagt Decker. [HZB / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
R. Decker, K. M. Morgan, S. Peredkov, et al., A superconducting transition edge sensor array for synchrotron soft x-ray emission spectroscopies of low-dimensional and impurity-level concentration systems, Rev. Sci. Instrum. 97, 065208, 10. Juni 2026; DOI: 10.1063/5.0332443 - TES@UE52_SGM, Röntgenquelle BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Berlin
