Un nuovo e importante strumento per la ricerca a raggi X è entrato in servizio presso BESSY II. Sviluppato grazie alla collaborazione tra HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Germania) e NIST (Boulder, Colorado, USA), lo strumento è il primo e unico spettrometro TES operativo presso una struttura di sincrotrone in Europa.
Il nuovo sistema offre un notevole miglioramento nell’efficienza di rilevamento dei fotoni, superando le prestazioni dei tradizionali spettrometri a emissione di raggi X a dispersione di lunghezza d’onda di un fattore compreso tra 100 e 1000. I ricercatori intendono utilizzarlo per studiare le proprietà elettroniche di materiali sottili a livello atomico, nanostrutture e campioni atomici e molecolari altamente diluiti. Il team invita ora la comunità scientifica a presentare proposte di ricerca.
Aumentare la sensibilità della spettroscopia a raggi X.
Impianti come BESSY II generano raggi X di sincrotrone estremamente brillanti e intensi che consentono agli scienziati di analizzare un’ampia gamma di materiali. Tuttavia, tecniche come la spettroscopia di emissione di raggi X (XES) e la diffusione anelastica risonante di raggi X (RIXS) si trovano ad affrontare una sfida significativa. Poiché questi metodi si basano sul rilevamento dei fotoni emessi dal campione, richiedono un gran numero di fotoni per produrre misurazioni utili.
Di conseguenza, gli esperimenti XES e RIXS sono stati tradizionalmente limitati a campioni concentrati e materiali in massa.
“Il rivelatore di fotoni a matrice di sensori superconduttori Transition Edge Sensor (TES) che abbiamo appena messo in funzione presso BESSY II è da 100 a 1000 volte più efficiente nel rilevare i fotoni rispetto agli spettrometri XES e RIXS convenzionali”, afferma Régis Decker, HZB, scienziato responsabile del nuovo strumento.
Esplorazione dei materiali quantistici e dei sistemi ultrasottili
La maggiore sensibilità apre le porte a esperimenti che prima erano difficili o impossibili da realizzare.
“Questo può fornire nuove informazioni sulla chimica molecolare o sulla biologia molecolare, ma anche sulle proprietà quantistiche di sistemi in dimensioni ridotte come monostrati atomici, nanostrutture e impurità. Lo spettrometro TES integra metodi come l’ARPES, che analizza le strutture a bande elettroniche di tali sistemi”, afferma Régis Decker.
Lo strumento può anche ridurre drasticamente i tempi di raccolta dati. Alcuni esperimenti XES e RIXS che normalmente richiederebbero ore possono ora essere completati in pochi minuti.
248 sensori superconduttori funzionanti in prossimità dello zero assoluto
Il cuore dello spettrometro a matrice TES è costituito da 248 sensori che diventano superconduttori quando raffreddati a 25 millikelvin. Per raggiungere questa temperatura, i ricercatori utilizzano un criostato a diluizione He4-He3 simile a quelli impiegati nei sistemi di calcolo quantistico.
Quando i raggi X interagiscono con un campione, quest’ultimo emette fotoni. Questi fotoni colpiscono i singoli sensori all’interno dell’array TES, producendo un improvviso aumento di temperatura. Questo breve riscaldamento interrompe lo stato superconduttore e aumenta la resistenza elettrica del sensore. La variazione viene quindi misurata utilizzando un circuito basato su un array di dispositivi a interferenza quantistica superconduttiva (SQUID).
Gestione avanzata dei campioni e futuri aggiornamenti
Lo spettrometro è collegato a una camera di campionamento a vuoto ultraelevato personalizzata che supporta il trasferimento, la preparazione e la misurazione del campione. La camera offre anche un controllo preciso della temperatura, da 10 K alla temperatura ambiente.
Il sistema completo è installato presso la linea di fascio BESSY II UE52-SGM, che offre un controllo completo della polarizzazione. Gli aggiornamenti previsti includono funzionalità di preparazione del campione migliorate e la possibilità di studiare i materiali in campi magnetici per la spettroscopia di dicroismo circolare magnetico a raggi X in assorbimento (XMCD) e in emissione (RIXS-MCD).
L’unico spettrometro TES a sincrotrone in Europa.
Gli spettrometri TES sono stati originariamente creati per applicazioni astrofisiche, dove è essenziale rilevare segnali fotonici estremamente deboli. Prima dell’installazione presso BESSY II, solo cinque spettrometri TES erano operativi in impianti a raggi X in tutto il mondo, di cui quattro negli Stati Uniti e uno in Giappone.
BESSY II ospita attualmente l’unico spettrometro TES a sincrotrone presente in Europa.
“Non vediamo l’ora di ricevere interessanti proposte di ricerca dalla nostra comunità di utenti”, afferma Decker.
Presentiamo un nuovo strumento per la spettroscopia di assorbimento ed emissione di raggi X molli, basato su un array di sensori a transizione di fase di ultima generazione, ottimizzato per il rilevamento di raggi X molli, costruito su un sistema di lettura multiplex a dispositivo di interferenza quantistica superconduttiva a microonde (SQUID) e raffreddato con un criostato a diluizione. La sua estrema efficienza di raccolta consente misurazioni spettroscopiche su sistemi diluiti. Permette inoltre tempi di acquisizione più brevi e spettri con un ampio intervallo di energia. Descriviamo la progettazione e il funzionamento dello spettrometro e ne caratterizziamo le prestazioni in termini di risoluzione energetica, efficienza di raccolta dei fotoni e stabilità. Si ottiene una risoluzione di 0,7–1,8 eV nell’intervallo di energia 260–900 eV con un’elevata velocità di rilevamento fino a 10.000 fotoni al secondo sull’intero array, con un degrado minimo delle prestazioni. Inoltre, l’utilizzo del criostato a diluizione per raffreddare il rivelatore si traduce in una calibrazione energetica robusta e stabile nel tempo. Lo spettrometro è collegato a una camera per campioni ad altissimo vuoto dedicata, dotata di un criostato per campioni completamente motorizzato per esperimenti a temperature comprese tra 10 e 300 K, montaggio di più campioni e dispositivi a gate di campo elettrico. La camera spettrometro-campione è installata su una linea di fascio che fornisce il controllo completo della polarizzazione. Dimostriamo le capacità del setup utilizzando due esempi rappresentativi di XES su sistemi a concentrazione estremamente bassa, vale a dire nitruro di boro esagonale monostrato e K 3 sistema molecolare [Fe(CN) 6 ] a concentrazione sub-millimolare.
Régis Decker, Kelsey M. Morgan, Sergey Peredkov, Charles J. Titus, Galen C. O’Neil, Alexander Dillmann, Dmitry Tikhonov, Utkarsh Prakash, Axel Knop-Gericke, Joseph W. Fowler, Jonathan W. Dean, Nathan Nakamura, Raoul Blume, Detre Techner, Minmin Chen, Zechao Jin, Christian Weniger, Thomas Blume, Torsten Kachel, Nathan J. Ortiz, Douglas A. Bennett, John A. B. Mates, Daniel R. Schmidt, Jozsef Imrek, Joel C. Weber, Johnathon D. Gard, Leila Vale, Abigail L. Wessels, Bastian Klemke, Sebastian Gerischer, Mattis Fondell, Sebastian Eckert, Joel N. Ullom, Daniel S. Swetz, Serena DeBeer, Alexander Föhlisch. A superconducting transition edge sensor array for synchrotron soft x-ray emission spectroscopies of low-dimensional and impurity-level concentration systems. Review of Scientific Instruments, 2026; 97 (6) DOI: 10.1063/5.0332443
by 