Sebuah alat baru yang besar untuk penelitian sinar-X telah mulai digunakan di BESSY II. Dikembangkan melalui kolaborasi antara HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Jerman) dan NIST (Boulder CO, USA), instrumen ini merupakan spektrometer TES pertama dan satu-satunya yang beroperasi di fasilitas sinkrotron di Eropa.
Sistem baru ini menawarkan peningkatan dramatis dalam efisiensi pendeteksian foton, mengungguli spektrometer emisi sinar-X dispersif panjang gelombang konvensional dengan faktor 100 hingga 1.000. Para peneliti berencana menggunakannya untuk mempelajari sifat elektronik bahan atom tipis, struktur nano, dan sampel atom dan molekul yang sangat encer. Tim tersebut kini meluncurkan seruan proposal penelitian dari komunitas ilmiah.
Membawa sensitivitas yang lebih besar terhadap spektroskopi sinar-X
Fasilitas seperti BESSY II menghasilkan sinar X sinkrotron yang sangat terang dan intens yang memungkinkan para ilmuwan menganalisis berbagai macam material. Namun teknik seperti spektroskopi emisi sinar-X (XES) dan hamburan sinar-X inelastis resonansi (RIXS) menghadapi tantangan yang signifikan. Karena metode ini mengandalkan pendeteksian foton yang dipancarkan oleh sampel, metode ini memerlukan foton dalam jumlah besar untuk menghasilkan pengukuran yang berguna.
Akibatnya, eksperimen XES dan RIXS secara tradisional terbatas pada sampel terkonsentrasi dan material curah.
“Detektor foton susunan superkonduktor TES (Transition Edge Sensor) yang kini kami operasikan di BESSY II kira-kira 100 hingga 1.000 kali lebih efisien dalam mendeteksi foton dibandingkan spektrometer XES dan RIXS konvensional,” kata Régis Decker, HZB, ilmuwan utama instrumen baru ini.
Menjelajahi material kuantum dan sistem ultra tipis
Peningkatan sensitivitas membuka pintu bagi eksperimen yang sebelumnya sulit atau tidak mungkin dicapai.
“Hal ini dapat memberikan pengetahuan baru tentang kimia molekuler atau biologi molekuler, tetapi juga tentang sifat kuantum dari sistem berdimensi tereduksi seperti lapisan tunggal atom, struktur nano, dan pengotor. Spektrometer TES melengkapi metode seperti ARPES, yang memindai struktur pita elektronik sistem tersebut,” jelas Régis Decker.
Instrumen ini juga dapat mengurangi waktu pengumpulan data secara signifikan. Beberapa eksperimen XES dan RIXS yang biasanya memakan waktu berjam-jam kini dapat diselesaikan hanya dalam hitungan menit.
248 sensor superkonduktor beroperasi mendekati nol mutlak
Inti dari spektrometer kisi TES terdapat 248 sensor yang menjadi superkonduktor ketika didinginkan hingga 25 milikelvin. Untuk mencapai suhu ini, para peneliti menggunakan lemari es pengenceran He4-He3 yang serupa dengan yang digunakan dalam sistem komputasi kuantum.
Ketika sinar-X berinteraksi dengan sampel, ia memancarkan foton. Foton-foton ini menyerang sensor individu dalam jaringan TES, menghasilkan peningkatan suhu secara tiba-tiba. Pemanasan singkat ini mengganggu keadaan superkonduktor dan meningkatkan hambatan listrik sensor. Perubahan tersebut kemudian diukur menggunakan sirkuit berdasarkan susunan perangkat interferensi kuantum superkonduktor (SQUID).
Manajemen sampel tingkat lanjut dan peningkatan di masa mendatang
Spektrometer terhubung ke ruang sampel vakum ultra-tinggi khusus yang mendukung transfer, persiapan, dan pengukuran sampel. Ruangan ini juga memungkinkan kontrol suhu yang presisi mulai dari 10 K hingga suhu ruangan.
Sistem lengkap dipasang pada beamline BESSY II UE52-SGM, yang menawarkan kontrol polarisasi lengkap. Peningkatan yang direncanakan mencakup peningkatan kemampuan persiapan sampel dan kemampuan mempelajari bahan dalam medan magnet untuk dichroism sirkular magnetik sinar-X dalam penyerapan (XMCD) dan emisi (RIXS-MCD).
Satu-satunya spektrometer sinkrotron TES di Eropa
Spektrometer TES awalnya dibuat untuk aplikasi dalam astrofisika, yang memerlukan deteksi sinyal fotonik yang sangat lemah. Sebelum pemasangan di BESSY II, hanya lima spektrometer TES yang beroperasi di fasilitas sinar-X di seluruh dunia, termasuk empat di Amerika Serikat dan satu di Jepang.
BESSY II sekarang menjadi tuan rumah satu-satunya spektrometer sinkrotron TES di Eropa.
“Kami berharap dapat menerima proposal penelitian menarik dari komunitas pengguna kami,” kata Decker.
