Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in Betrieb
Die supraleitenden Sensoren müssen auf 25 Millikelvin abgekühlt werden. Dafür wird ein He4-He3 Kryostat eingesetzt. Er ähnelt den Kryostaten, die für Quantencomputer genutzt werden. © Régis Decker / HZB
Hier ist das Detektor-Array mit den 248 Sensoren zu sehen. © Régis Decker / HZB
Europas erstes supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer an einer Röntgenquelle ist nun an BESSY II in Betrieb gegangen, entwickelt von Teams aus HZB, MPI-CEC (Mühlheim an der Ruhr, Deutschland) und NIST (Boulder CO, USA). Das neue Instrument ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter 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. Das BESSY-Team freut sich auf spannende Forschungsideen aus der Nutzerschaft!
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.
100-1000 mal empfindlicher
„Der supraleitende Transition Edge Sensor (TES)-Array-Photonen-Detektor, den wir jetzt an BESSY II in Betrieb genommen haben, ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter bei der Detektion von Photonen als herkömmliche XES- und RIXS-Spektrometer“, sagt Régis Decker, HZB, der als Physiker für das neue Instrument verantwortlich ist.
Neue Einblicke in niedrigdimensionale Systeme
„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. Darüber hinaus können manche XES- und RIXS-Messungen, die sonst Stunden dauern würden, mit diesem Instrument in wenigen Minuten durchgeführt werden.
248 supraleitende Sensoren
Das TES-Array-Spektrometer enthält 248 Sensoren, die bei einer Kühlung auf 25 Milli-Kelvin 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. 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.
Im Einsatz an BESSY II
TES-Spektrometer wurden ursprünglich für astrophysikalische Messungen entwickelt, um selbst schwächste Photonenflüsse 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.
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Die Wirkungsanalyse wurde am 3. September 2026 an Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung im Berliner Senat übergeben. Er befürwortet Investitionen und setzt sich mit Nachdruck für BESSY III ein.