Запущен первый в Европе рентгеновский спектрометр на основе сверхпроводящей матрицы
На ускорителе BESSY II в Берлине запущен первый и пока единственный в Европе TES-спектрометр, работающий на синхротронном источнике. Детальное описание новинки приведено в журнале Review of Scientific Instruments.
Такие источники синхротронного излучения, как BESSY II, дают интенсивное, очень яркое рентгеновское излучение, позволяющее исследовать самые разные образцы. Однако методы рентгеновской эмиссионной спектроскопии (XES) и резонансного неупругого рентгеновского рассеяния (RIXS), в которых регистрируются фотоны, испущенные образцом, крайне требовательны к интенсивности падающего пучка. Поэтому до сих пор XES и RIXS применялись преимущественно для изучения проб с высокой концентрацией и объемным материалам.
«Матрица сенсоров на краю сверхпроводящего перехода (Transition Edge Sensor — TES), которую мы установили на BESSY II, регистрирует фотоны примерно в 100–1000 раз эффективнее, чем классические спектрометры для XES и RIXS. Это открывает новые возможности для молекулярной химии и молекулярной биологии, а также для изучения квантовых свойств систем пониженной размерности — например, атомарных монослоев, наноструктур и примесей. TES-спектрометр удачно дополняет такие методы, как фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением, с помощью которой исследуют электронную зонную структуру подобных материалов», — говорит физик Режи Деккер из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца, ответственный за новый прибор.
Кроме того, некоторые измерения методами XES и RIXS, которые раньше занимали часы, с помощью новой установки теперь можно выполнить за считанные минуты.
Как это устроено
Матричный TES-спектрометр включает 248 датчиков, переходящих в сверхпроводящее состояние при охлаждении до 25 милликельвинов. Такая низкая температура достигается с помощью рефрижератора растворения на He⁴–He³, похожего на те, что применяются для охлаждения квантовых компьютеров. Когда образец облучают рентгеновскими лучами, он сам начинает испускать фотоны. Они попадают на отдельные датчики матрицы, вызывая резкий локальный нагрев, который на мгновение разрушает сверхпроводимость. Это приводит к скачку сопротивления датчика, который регистрируется матрицей сверхпроводящих квантовых интерферометров.
Спектрометр смонтирован на специальной камере сверхвысокого вакуума для образцов, которая обеспечивает их передачу, подготовку и измерения с точным контролем температуры в диапазоне от 10 К до комнатной. Вся измерительная станция размещена на канале UE52-SGM синхротрона BESSY II, что позволяет полностью управлять поляризацией падающего пучка. В дальнейших планах — усовершенствование возможностей по части подготовки проб, а также проведение измерений в магнитных полях для реализации методов магнитного кругового дихроизма в поглощении (XMCD) и в эмиссии (RIXS-MCD).
Космическая разработка
Изначально TES-спектрометры разрабатывались для астрофизических задач, где необходимо регистрировать предельно слабые потоки фотонов. С 2010-х им нашли применение на Земле. До сих пор в мире работало пять таких спектрометров на рентгеновских источниках — четыре в США и один в Японии. Еще одним стал синхротронный TES-спектрометр в Берлине. «Мы ждем ярких исследовательских предложений от наших пользователей», — заключил Деккер.
