Το πρώτο υπεραγώγιμο φασματόμετρο της Ευρώπης για ανίχνευση φωτονίων 1.000 φορές ταχύτερα

Σύνοψη

• Το Ινστιτούτο Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) έθεσε σε λειτουργία στο BESSY II το μοναδικό υπεραγώγιμο φασματόμετρο TES (Transition Edge Sensor) σε ευρωπαϊκή πηγή σύγχροτρον.
• Το σύστημα προσφέρει 100 έως 1000 φορές μεγαλύτερη απόδοση ανίχνευσης φωτονίων από τις συμβατικές διατάξεις, μετατρέποντας πολύωρες μετρήσεις σε διαδικασίες λίγων λεπτών.
• Διαθέτει 248 αισθητήρες που ψύχονται στους 25 χιλιοστούς βαθμούς Kelvin (25 mK) μέσω ενός ψυγείου αραίωσης He4-He3, τεχνολογία παρόμοια με αυτή των κβαντικών υπολογιστών.
• Θα αξιοποιηθεί για την ανάλυση ατομικά λεπτών στρωμάτων, νανοδομών και της μοριακής χημείας.
• Αναπτύχθηκε μέσω συνεργασίας του HZB, του MPI-CEC (Γερμανία) και του ινστιτούτου NIST (ΗΠΑ), καθιστώντας το, το έκτο τέτοιο σύστημα παγκοσμίως και το πρώτο στην Ευρώπη.

Η εγκατάσταση BESSY II του Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) φιλοξενεί πλέον μια τεχνολογική διάταξη υψίστης σημασίας για την ευρωπαϊκή και την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Το νέο υπεραγώγιμο φασματόμετρο Transition Edge Sensor (TES) αποτελεί το μοναδικό όργανο αυτού του τύπου σε πηγή φωτός σύγχροτρον στην Ευρώπη, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στην έρευνα των κβαντικών υλικών, των νανοδομών και της μοριακής χημείας.

Η λειτουργία του συγκεκριμένου φασματόμετρου ακτίνων Χ αναβαθμίζει ριζικά τα δεδομένα στην ανάλυση υλικών σε ατομικό επίπεδο. Κατασκευασμένο έπειτα από στενή συνεργασία μεταξύ του HZB, του Ινστιτούτου MPI-CEC στο Mühlheim-an-der-Ruhr της Γερμανίας και του αμερικανικού NIST (National Institute of Standards and Technology) στο Boulder του Κολοράντο, το εργαλείο αυτό επιλύει έναν μακροχρόνιο περιορισμό της φασματοσκοπίας εκπομπής ακτίνων Χ.

Τι είναι το φασματόμετρο TES και πώς λειτουργεί;

Το φασματόμετρο TES (Transition Edge Sensor) είναι ένας υπερευαίσθητος ανιχνευτής ακτίνων Χ που λειτουργεί στο όριο της υπεραγωγιμότητας. Μέσω 248 υπεραγώγιμων αισθητήρων που καταψύχονται στους 25 χιλιοστούς βαθμούς Kelvin (25 mK), ανιχνεύει την ανεπαίσθητη αύξηση της θερμοκρασίας (και άρα της ηλεκτρικής αντίστασης) που προκαλείται από την πρόσκρουση μεμονωμένων φωτονίων στην επιφάνειά του.

Αυτή η αυστηρά ελεγχόμενη λειτουργία επιτυγχάνεται μέσω ενός εξειδικευμένου ψυγείου αραίωσης ηλίου (He4-He3). Η διαδικασία ψύξης είναι πανομοιότυπη με αυτή που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της σταθερότητας των qubits στους σύγχρονους κβαντικούς υπολογιστές. Το φαινόμενο ανιχνεύεται και αναλύεται μέσω ενός κυκλώματος SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), το οποίο μεταφράζει τις μεταβολές της θερμοκρασίας σε πολύτιμα φασματοσκοπικά δεδομένα, καταγράφοντας με απόλυτη ακρίβεια την ενέργεια του κάθε φωτονίου ξεχωριστά.

Η τεράστια απόδοση: 1000 φορές μεγαλύτερη ευαισθησία

Το νέο σύστημα παρέχει απόδοση ανίχνευσης φωτονίων 100 έως 1000 φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση με τα συμβατικά φασματόμετρα διασποράς μήκους κύματος. Τεχνικές όπως η Φασματοσκοπία Εκπομπής Ακτίνων Χ (XES) και η Συντονισμένη Ανελαστική Σκέδαση Ακτίνων Χ (RIXS), οι οποίες διαρκούσαν προηγουμένως πολλές ώρες, πλέον ολοκληρώνονται με απόλυτη ακρίβεια μέσα σε ελάχιστα λεπτά.

Ιστορικά, μέθοδοι όπως το XES και το RIXS χαρακτηρίζονται από τη χαμηλή ροή παραγόμενων φωτονίων. Εξαιτίας αυτού του περιορισμού, η εφαρμογή τους αφορούσε κυρίως δείγματα υψηλής συγκέντρωσης ή συμπαγή (bulk) υλικά. Όπως εξηγεί ο Régis Decker, επικεφαλής επιστήμονας του νέου οργάνου στο HZB, το TES επιτρέπει την ανάλυση ιδιαίτερα αραιωμένων δειγμάτων, δίνοντας λεπτομερείς πληροφορίες εκεί που τα προηγούμενα όργανα αδυνατούσαν να καταγράψουν σήμα μέσα στο θόρυβο υποβάθρου.

Όπως αναλύεται και στη σχετική δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Review of Scientific Instruments (2026), το φασματόμετρο έχει προσαρτηθεί σε έναν ειδικά σχεδιασμένο θάλαμο υπερυψηλού κενού. Ο θάλαμος αυτός εξασφαλίζει την άρτια μεταφορά, προετοιμασία και μέτρηση των δειγμάτων υπό συνθήκες ακριβούς θερμοκρασιακού ελέγχου, από τους 10 βαθμούς Kelvin έως τη θερμοκρασία δωματίου. Η εγκατάσταση ολοκληρώθηκε στη γραμμή δέσμης UE52-SGM του BESSY II, προσφέροντας παράλληλα πλήρη έλεγχο της πόλωσης.

Από την αστροφυσική στη μοριακή χημεία και τα κβαντικά υλικά

Η τεχνολογία TES αναπτύχθηκε αρχικά για την αστροφυσική έρευνα, με σκοπό την ανίχνευση εξαιρετικά ασθενών ροών φωτονίων από το Διάστημα. Σήμερα, εφαρμόζεται στην ανάλυση της μοριακής βιολογίας, της χημείας και των κβαντικών ιδιοτήτων συστημάτων μειωμένων διαστάσεων, όπως τα ατομικά μονοστρώματα, οι προσμείξεις και οι νανοδομές.

Το φασματόμετρο αναμένεται να λειτουργήσει συμπληρωματικά με άλλες διαδεδομένες μεθόδους, όπως το ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy), το οποίο ειδικεύεται στη σάρωση των ηλεκτρονικών δομών παρόμοιων συστημάτων. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες μπορούν να ανασυνθέσουν μια πλήρη εικόνα της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς ενός υλικού. Στα μελλοντικά σχέδια της ομάδας του HZB περιλαμβάνεται η βελτίωση των ικανοτήτων προετοιμασίας δειγμάτων και η διενέργεια μετρήσεων υπό την επίδραση ισχυρού μαγνητικού πεδίου (XMCD και RIXS-MCD), προσφέροντας βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς του spin στα κβαντικά υλικά.