O novo instrumento principal para pesquisa de raios X entrou em serviço com o BESSY II. O instrumento, desenvolvido em colaboração entre HZB, MPI-CEC (Mülheim an der Ruhr, Alemanha) e NIST (Boulder, CA, EUA), é o primeiro e único espectrômetro TES operando em uma instalação síncrotron na Europa.
O novo sistema proporciona uma melhoria dramática na eficiência de detecção de fótons, superando os espectrômetros de raios X convencionais com uma dispersão de comprimento de onda de 100 a 1.000 vezes. Os pesquisadores planejam usá-lo para estudar as propriedades eletrônicas de materiais atomicamente finos, nanoestruturas e amostras atômicas e moleculares altamente diluídas. A equipe está agora convidando propostas de pesquisa da comunidade científica.
Aumentando a sensibilidade da espectroscopia de raios X
Instalações como o BESSY II produzem radiação síncrotron de raios X extremamente brilhante e intensa que permite aos cientistas analisar uma ampla gama de materiais. No entanto, técnicas como espectroscopia de emissão de raios X (XES) e espalhamento inelástico de raios X por ressonância (RIXS) enfrentam um desafio significativo. Como esses métodos são baseados na detecção de fótons emitidos pela amostra, é necessário um grande número de fótons para obter medições úteis.
Como resultado, os experimentos XES e RIXS têm sido tradicionalmente limitados a amostras concentradas e materiais a granel.
“O sensor supercondutor de matriz de fótons de borda de transição (TES) que implantamos agora no BESSY II é cerca de 100-1000 vezes mais eficiente na detecção de fótons do que os espectrômetros XES e RIXS convencionais”, disse Regis Dekker, HZB, Cientista responsável pelo novo instrumento.
Estudo de materiais quânticos e sistemas hiperfinos
O aumento da sensibilidade abre a porta para experimentos que antes eram difíceis ou impossíveis de realizar.
“Isso pode fornecer novos insights sobre a química molecular ou biologia molecular, bem como sobre as propriedades quânticas de sistemas reduzidos, como monocamadas atômicas, nanoestruturas e impurezas. O espectrômetro TES complementa técnicas como o ARPES, que varre as estruturas de bandas eletrônicas de tais sistemas, “diz Regis Dekker.
O dispositivo também pode reduzir significativamente o tempo de coleta de dados. Alguns experimentos XES e RIXS que normalmente levariam horas podem agora ser realizados em apenas alguns minutos.
248 sensores supercondutores que operam perto do zero absoluto
No coração do enorme espectrômetro TES estão 248 sensores que se tornam supercondutores quando resfriados a 25 milikelvins. Para atingir essa temperatura, os pesquisadores utilizam um refrigerador de diluição He4-He3 semelhante aos usados em sistemas de computação quântica.
Quando os raios X interagem com uma amostra, a amostra emite fótons. Esses fótons atingem sensores individuais no conjunto TES, causando um aumento repentino na temperatura. Este breve aquecimento quebra o estado supercondutor e aumenta a resistência elétrica do sensor. A mudança é então medida usando um esquema baseado em uma série de dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs).
Processamento avançado de amostras e atualizações futuras
O espectrômetro é conectado a uma câmara de amostra de ultra-alto vácuo dedicada que suporta transferência, preparação e medição de amostras. A câmara também fornece controle preciso de temperatura variando de 10 K até a temperatura ambiente.
O sistema completo é montado na linha de luz BESSY II UE52-SGM, que oferece controle total de polarização. As atualizações planejadas incluem recursos aprimorados de preparação de amostras e a capacidade de sondar materiais em campos magnéticos para dicroísmo circular magnético de absorção de raios X (XMCD) e emissão (RIXS-MCD).
O único espectrômetro síncrotron TES na Europa
Os espectrômetros TES foram originalmente projetados para aplicações em astrofísica, onde é importante detectar sinais de fótons muito fracos. Antes da instalação no BESSY II, apenas cinco espectrômetros TES operavam em instalações de raios X em todo o mundo, incluindo quatro nos EUA e um no Japão.
BESSY II é agora o lar do único espectrômetro síncrotron TES da Europa.
“Estamos ansiosos por propostas de pesquisa interessantes da nossa comunidade de usuários”, diz Decker.
