Nový supravodivý detektor rentgenového záření je až 1 000krát citlivější

Foto: Régis Decker / HZB

Vědecké novinky z výzkumných organizací: Nový supravodivý detektor rentgenového záření je až 1 000krát citlivější. Datum: 24. června 2026. Zdroj: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Shrnutí: Průlomový supravodivý rentgenový spektrometr zahájil provoz v BESSY II, čímž Evropa získala svůj první systém založený na TES a zvýšila účinnost detekce fotonů až o 1 000krát. Tento pokrok umožňuje vědcům zkoumat atomově tenké materiály, nanostruktury a ultra-ředěné vzorky s pozoruhodnou rychlostí a citlivostí.

Autor původního článku: redakce

Nové možnosti pro rentgenovou spektroskopii

Supravodivé senzory potřebují teplotu pod 25 miliKelvinů. Toho je dosaženo pomocí He4-He3 ředicího chladicího zařízení, které je podobné těm, jež se používají pro kvantové počítače.

Nový významný nástroj pro výzkum rentgenového záření vstoupil do služby v BESSY II. Vyvinutý ve spolupráci mezi HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Německo) a NIST (Boulder CO, USA), je tento přístroj prvním a jediným spektrometrem TES, který pracuje na synchrotronovém zařízení v Evropě. Nový systém poskytuje dramatické zlepšení účinnosti detekce fotonů, překonávající konvenční vlnově disperzní rentgenové emisní spektrometry faktorem 100 až 1000.

Vědci plánují použít jej ke studiu elektronických vlastností atomově tenkých materiálů, nanostruktur a vysoce ředěných atomových a molekulárních vzorků. Tým nyní vyzývá vědeckou komunitu k podávání návrhů na výzkum.

Větší citlivost pro rentgenovou spektroskopii

Zařízení jako BESSY II generují extrémně jasné a intenzivní synchrotronové rentgenové záření, které umožňuje vědcům analyzovat širokou škálu materiálů. Přesto techniky jako rentgenová emisní spektroskopie (XES) a rezonantní neelastický rozptyl rentgenového záření (RIXS) čelí významné výzvě. Protože tyto metody spoléhají na detekci fotonů emitovaných vzorkem, vyžadují velké množství fotonů k produkci užitečných měření. Výsledkem je, že experimenty XES a RIXS byly tradičně omezeny na koncentrované vzorky a objemové materiály.

„Supravodivý detektor fotonů s přechodovým okrajem (TES), který jsme nyní uvedli do provozu v BESSY II, je přibližně 100 až 1000krát účinnější při detekci fotonů než konvenční spektrometry XES a RIXS,“ říká Régis Decker, vědecký pracovník HZB odpovědný za nový přístroj.

Zkoumání kvantových materiálů a ultra-tenkých systémů

Zvýšená citlivost otevírá dveře experimentům, které byly dříve obtížné nebo nemožné provést. „To může poskytnout nové poznatky do molekulární chemie nebo molekulární biologie, ale také do kvantových vlastností systémů v redukované dimenzi, jako jsou atomové monovrstvy, nanostruktury a nečistoty. Spektrometr TES doplňuje metody jako ARPES, které skenují elektronické pásové struktury těchto systémů,“ říká Régis Decker.

Přístroj může také dramaticky zkrátit dobu sběru dat. Některé experimenty XES a RIXS, které by normálně vyžadovaly hodiny, mohou být nyní dokončeny během několika minut.

248 supravodivých senzorů pracujících blízko absolutní nuly

V srdci spektrometru TES je 248 senzorů, které se stávají supravodivými, když jsou ochlazeny na 25 miliKelvinů. K dosažení této teploty používají vědci He4-He3 ředicí chladicí zařízení podobné těm, které se používají v systémech kvantového počítání. Když rentgenové záření interaguje se vzorkem, vzorek emituje fotony. Tyto fotony zasáhnou jednotlivé senzory v poli TES, což způsobí náhlé zvýšení teploty. Toto krátké zahřátí naruší supravodivý stav a zvýší elektrický odpor senzoru. Změna je pak měřena pomocí obvodů založených na poli supravodivých kvantových interferenčních zařízení (SQUIDs).

Pokročilá manipulace se vzorky a budoucí vylepšení

Spektrometr je připojen k vlastní ultra-vysokovakuové komoře pro vzorky, která podporuje přenos, přípravu a měření vzorků. Komora také poskytuje přesnou kontrolu teploty v rozmezí od 10 K do pokojové teploty. Celý systém je instalován na lince BESSY II UE52-SGM, která nabízí plnou kontrolu polarizace. Plánovaná vylepšení zahrnují rozšířené možnosti přípravy vzorků a schopnost studovat materiály v magnetických polích pro rentgenovou magnetickou kruhovou dichroismus v absorpci (XMCD) a emisi (RIXS-MCD).

Jedinečný spektrometr TES v Evropě

Spektrometry TES byly původně vytvořeny pro aplikace v astrofyzice, kde je detekce extrémně slabých fotonových signálů nezbytná. Před instalací v BESSY II bylo na rentgenových zařízeních po celém světě v provozu pouze pět spektrometrů TES, včetně čtyř ve Spojených státech a jednoho v Japonsku. BESSY II nyní hostí jediný synchrotronový spektrometr TES v Evropě.

„Těšíme se na přijímání zajímavých návrhů na výzkum od naší uživatelské komunity,“ říká Decker.

Původní článek: New superconducting X-ray detector is up to 1,000 times more sensitive

Mohlo by vás zajímat

Nejčastější dotazy

Jak funguje nový supravodivý detektor rentgenového záření?

Nový supravodivý detektor rentgenového záření využívá technologii TES (Transition Edge Sensor), která zvyšuje citlivost detekce fotonů. Pracuje při extrémně nízkých teplotách pod 25 miliKelvinů, což umožňuje přesné měření atomově tenkých materiálů a nanostruktur.

Jaké jsou výhody nového detektoru v porovnání se staršími technologiemi?

Nový detektor je až 1 000krát citlivější než předchozí technologie, což výrazně zlepšuje možnosti výzkumu v oblasti rentgenové spektroskopie. Díky této vysoké citlivosti mohou vědci zkoumat ultra-ředěné vzorky a nanostruktury s větší přesností a rychlostí.

Kde je nový detektor umístěn a jaký má význam pro Evropu?

Nový supravodivý detektor byl uveden do provozu v zařízení BESSY II v Berlíně, což činí Evropu lídrem v oblasti této pokročilé technologie. Jeho zavedení otevírá nové možnosti pro vědecký výzkum a aplikace v různých oblastech materiálových věd.