Un nuevo detector de rayos X superconductores es 1,000 veces más sensible

Un nuevo y revolucionario espectrómetro de rayos X superconductores comenzó a operar en el centro de investigación BESSY II, ubicado en Berlín, Alemania. Este sistema, basado en sensores de Transition Edge Sensor (TES), se convierte en el primero de su tipo en Europa y promete aumentar la eficiencia de detección de fotones en hasta 1,000 veces en comparación con los espectrómetros convencionales.

Desarrollado mediante una colaboración entre el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, el Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion y el National Institute of Standards and Technology de Estados Unidos, este instrumento permitirá a los científicos investigar materiales extremadamente delgados, nanostructuras y muestras ultra-diluidas con una velocidad y sensibilidad sin precedentes.

La nueva tecnología ofrece una mejora notable en la eficiencia de detección de fotones, superando a los espectrómetros de emisión de rayos X convencionales en un factor de entre 100 y 1,000. Los investigadores ya están invitando a la comunidad científica a presentar propuestas de investigación para aprovechar esta herramienta.

Mayor sensibilidad en espectroscopía de rayos X

Las instalaciones como BESSY II generan rayos X de sincrotrón extremadamente brillantes e intensos, lo que permite analizar una amplia gama de materiales. Sin embargo, las técnicas como la espectroscopía de emisión de rayos X (XES) y la dispersión inelástica resonante de rayos X (RIXS) enfrentan desafíos significativos, ya que dependen de la detección de fotones emitidos por la muestra, lo que requiere grandes cantidades de fotones para obtener mediciones útiles.

Debido a esto, los experimentos de XES y RIXS se habían limitado tradicionalmente a muestras concentradas y materiales en bloque. "El nuevo detector de fotones basado en TES que hemos puesto en funcionamiento en BESSY II es alrededor de 100 a 1,000 veces más eficiente para detectar fotones que los espectrómetros convencionales", afirmó Régis Decker, científico responsable del nuevo instrumento en HZB.

Explorando materiales cuánticos y sistemas ultra-delgados

La mayor sensibilidad abre la puerta a experimentos que anteriormente eran difíciles o imposibles de realizar. "Esto puede proporcionar nuevas perspectivas sobre la química molecular o la biología molecular, así como sobre las propiedades cuánticas de sistemas en dimensiones reducidas, como monocapas atómicas, nanostructuras e impurezas", agregó Decker.

Además, el instrumento puede reducir drásticamente los tiempos de recolección de datos. Algunos experimentos de XES y RIXS que normalmente requerirían horas pueden completarse en solo minutos.

248 sensores superconductores funcionando cerca del cero absoluto

En el corazón del espectrómetro de matriz TES se encuentran 248 sensores que se vuelven superconductores al ser enfriados a 25 mili-Kelvin. Para lograr esta temperatura, los investigadores utilizan un refrigerador de dilución He4-He3, similar a los empleados en sistemas de computación cuántica.

Cuando los rayos X interactúan con una muestra, esta emite fotones que impactan en los sensores individuales dentro de la matriz TES, provocando un aumento repentino de temperatura. Este breve calentamiento interrumpe el estado superconductivo y aumenta la resistencia eléctrica del sensor, cambio que se mide utilizando circuitos basados en dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUIDs).

Manejo avanzado de muestras y futuras actualizaciones

El espectrómetro está conectado a una cámara de muestras de ultra-alta vacuidad que soporta la transferencia, preparación y medición de muestras, además de ofrecer un control de temperatura preciso que va desde 10 K hasta la temperatura ambiente.

El sistema completo está instalado en la línea de haz UE52-SGM de BESSY II, que ofrece control de polarización total. Se planean actualizaciones que incluirán capacidades mejoradas para la preparación de muestras y la posibilidad de estudiar materiales en campos magnéticos para la discriminación circular magnética de rayos X en absorción (XMCD) y emisión (RIXS-MCD).

El único espectrómetro TES de sincrotrón en Europa

Los espectrómetros TES fueron creados originalmente para aplicaciones en astrofísica, donde la detección de señales de fotones extremadamente débiles es esencial. Antes de la instalación en BESSY II, solo cinco espectrómetros TES estaban operando en instalaciones de rayos X en todo el mundo, incluidos cuatro en Estados Unidos y uno en Japón. Ahora, BESSY II alberga el único espectrómetro TES de sincrotrón en Europa.

"Estamos ansiosos por recibir propuestas de investigación emocionantes de nuestra comunidad de usuarios", concluyó Decker.