Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in Betrieb

An der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II ist Europas erstes supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer in Betrieb gegangen. Die Entwicklung basiert auf einer Kooperation von HZB, MPI-CEC und dem NIST. Synchrotronquellen liefern hochbrillantes Röntgenlicht für die Analytik. Bisher blieben photonenhungrige Methoden wie Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) meist auf hochkonzentrierte, voluminöse Proben beschränkt.

Signifikante Steigerung der Detektionseffizienz

Das neue Instrument detektiert Photonen etwa 100- bis 1000-mal effizienter als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer. Dadurch lassen sich elektronische Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter Proben präzise untersuchen. „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.

Neue Potenziale für die chemische und biologische Analytik

Das System eröffnet neue Einblicke in die Molekularchemie, Molekularbiologie sowie in Quanteneigenschaften niedrigdimensionaler Systeme. Hierzu zählen atomare Monoschichten und kleinste Verunreinigungen. Das Spektrometer komplementiert etablierte Methoden wie die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES). „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. Zudem verkürzt das Instrument die Messzeiten massiv. Bestimmte XES- und RIXS-Analysen erfordern statt mehrerer Stunden nur noch wenige Minuten.

Kryogene Sensorik und Funktionsprinzip

Das System nutzt 248 Sensoren, die per He⁴-He³-Verdünnungskühlung auf 25 Milli-Kelvin gekühlt werden. Bei dieser kryogenen Temperatur sind die Sensoren supraleitend. Emittiert die Probe durch Röntgenbestrahlung Photonen, treffen diese auf das Array. Der resultierende Temperaturanstieg zerstört kurzzeitig die Supraleitung. Die detektierte Widerstandsänderung wird über eine SQUID-Schaltung präzise erfasst.

Probenumgebung und zukünftiger Ausbau

Das Spektrometer ist mit einer Ultrahochvakuum-Probenkammer gekoppelt. Diese erlaubt Probentransfer, Präparation und Messungen bei Temperaturen von 10 Kelvin bis Raumtemperatur. Das System läuft an der BESSY II UE52-SGM-Beamline mit kontrollierbarer Polarisation. Geplant sind der Ausbau der Probenpräparation sowie Erweiterungen für Messungen in Magnetfeldern (XMCD und RIXS-MCD).
Ursprünglich stammen TES-Spektrometer aus der Astrophysik zur Messung schwächster Photonenflüsse. Weltweit existierten bislang nur fünf solcher Systeme an Röntgenquellen in den USA und Japan. BESSY II bietet nun das einzige Synchrotron-TES-Spektrometer in Europa. „Wir freuen uns auf spannende Forschungsvorschläge aus unserer Nutzergemeinschaft“, sagt Decker.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (06/2026)