Новый сверхпроводящий рентгеновский детектор в 1000 раз чувствительнее аналогов

Сверхпроводящие сенсоры требуют температуры ниже 25 милликельвин. Это достигается с помощью рефрижератора растворения He4-He3, показанного на фото. Он аналогичен тем, что используются в квантовых компьютерах. Credit: Régis Decker / HZB

Новый мощный инструмент для рентгеновских исследований введен в эксплуатацию на синхротроне BESSY II. Разработанный в сотрудничестве между HZB, MPI-CEC (Мюльхайм-ан-дер-Рур, Германия) и NIST (Боулдер, США), прибор является первым и единственным TES-спектрометром, работающим на синхротронной установке в Европе.

Новая система обеспечивает значительное улучшение эффективности обнаружения фотонов, превосходя традиционные рентгеновские эмиссионные спектрометры в 100–1000 раз. Исследователи планируют использовать его для изучения электронных свойств атомарно тонких материалов, наноструктур и сильно разбавленных атомных и молекулярных образцов. Команда уже принимает заявки на исследования от научного сообщества.

«Сверхпроводящий детектор фотонов на основе массива переходных кромок (TES), который мы ввели в эксплуатацию на BESSY II, примерно в 100–1000 раз эффективнее обнаруживает фотоны, чем обычные спектрометры XES и RIXS», — говорит Режи Деккер, научный сотрудник HZB, ответственный за новый прибор.

Повышенная чувствительность открывает двери для экспериментов, которые ранее были затруднены или невозможны. «Это может дать новое понимание в молекулярной химии или молекулярной биологии, а также квантовых свойств систем с пониженной размерностью, таких как атомные монослои, наноструктуры и примеси. TES-спектрометр дополняет такие методы, как ARPES, который сканирует электронные зонные структуры подобных систем», — поясняет Деккер.

Прибор также может значительно сократить время сбора данных. Некоторые эксперименты XES и RIXS, которые обычно требуют часов, теперь могут быть выполнены всего за несколько минут.

В основе TES-спектрометра лежат 248 сверхпроводящих сенсоров, охлаждаемых до 25 милликельвин с помощью рефрижератора растворения He4-He3. Когда рентгеновские лучи взаимодействуют с образцом, тот испускает фотоны. Попадая на сенсоры, они вызывают скачок температуры, нарушающий сверхпроводимость и увеличивающий электрическое сопротивление. Это изменение измеряется с помощью схем на основе сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUID).

Спектрометр подключен к специальной сверхвысоковакуумной камере с возможностью контроля температуры от 10 К до комнатной. Система установлена на канале BESSY II UE52-SGM с полным контролем поляризации. Планируются модернизации для изучения материалов в магнитных полях.

Изначально TES-спектрометры создавались для астрофизики. До установки на BESSY II в мире работало всего пять таких спектрометров на рентгеновских установках: четыре в США и один в Японии. Теперь BESSY II стал единственным местом в Европе, где есть такой прибор.

«Мы с нетерпением ждем захватывающих исследовательских предложений от нашего сообщества пользователей», — заключает Деккер.

Источники: