Wie ein supraleitender Sensor die Empfindlichkeit von Röntgenspektrometern vertausendfacht

Manche wissenschaftlichen Durchbrüche beginnen nicht mit einer neuen Theorie, sondern mit einem besseren Auge. Am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II hat kürzlich ein Instrument den Betrieb aufgenommen, das die Art und Weise, wie wir Materie auf atomarer Ebene betrachten, grundlegend verändern könnte. Es handelt sich um einen supraleitenden Röntgendetektor, dessen Empfindlichkeit herkömmliche Spektrometer um das Hundert- bis Tausendfache übertrifft. Was nach einer inkrementellen Verbesserung klingt, ist in Wahrheit ein Quantensprung: Erstmals lassen sich damit Proben untersuchen, die so dünn oder so stark verdünnt sind, dass sie bisher schlicht unsichtbar blieben.

Entwickelt wurde das System in einer Kooperation zwischen dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA. Es ist der erste und bislang einzige TES-Spektrometer, der an einer Synchrotron-Einrichtung in Europa arbeitet. „Der supraleitende Transition-Edge-Sensor-Array-Photonendetektor, den wir jetzt bei BESSY II in Betrieb genommen haben, ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter im Nachweis von Photonen als konventionelle XES- und RIXS-Spektrometer“, erklärt Régis Decker, der verantwortliche Wissenschaftler des neuen Instruments.

Das Problem mit den flüchtigen Photonen

Um zu verstehen, warum dieser Faktor so entscheidend ist, muss man sich die grundlegende Herausforderung der Röntgenspektroskopie vor Augen führen. Methoden wie die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) oder die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) gehören zu den mächtigsten Werkzeugen der Materialforschung. Sie erlauben es, die elektronische Struktur von Festkörpern, Molekülen oder Nanostrukturen mit hoher Präzision zu kartieren - gewissermaßen die chemische Fingerabdruck-Analyse auf atomarer Ebene. Doch beide Techniken leiden unter einem intrinsischen Problem: Sie beruhen darauf, dass die Probe nach der Anregung durch Synchrotronstrahlung selbst Photonen aussendet, und diese Sekundärstrahlung ist notorisch schwach. Nur ein winziger Bruchteil der eingestrahlten Energie wird als verwertbares Signal wieder abgegeben.

Die Konsequenz war jahrzehntelang eine harte Beschränkung. Entweder man benötigte konzentrierte Proben - dicke Kristalle, massive Materialblöcke - oder man musste unmessbar lange Messzeiten in Kauf nehmen. Wer die elektronischen Geheimnisse einer einzelnen Atomlage, einer katalytisch aktiven Oberflächenverunreinigung oder eines hochverdünnten molekularen Komplexes ergründen wollte, stieß an eine fundamentale Wand. Das Signal ertrank schlicht im Rauschen.

248 Sensoren am Rand der Supraleitung

Der neue Detektor umgeht dieses Problem durch ein ebenso elegantes wie extremes physikalisches Prinzip. In seinem Herzen arbeiten 248 supraleitende Sensoren, sogenannte Transition Edge Sensors (TES). Diese werden auf eine Temperatur von 25 Millikelvin heruntergekühlt - das ist nur ein Hauch über dem absoluten Nullpunkt und kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung des Universums. Um diese Temperatur zu erreichen, verwenden die Forscher einen He4-He3-Mischungskryostaten, wie er auch in Quantencomputern zum Einsatz kommt.

Das Funktionsprinzip ist so empfindlich wie raffiniert. Jeder Sensor wird exakt an der Schwelle zwischen supraleitendem und normalleitendem Zustand gehalten - dem „Transition Edge“. Trifft nun ein einzelnes Röntgenphoton auf einen der Sensoren, deponiert es eine winzige Energiemenge. Diese reicht aus, um den Sensor kurzzeitig aus der Supraleitung zu kippen. Der resultierende Anstieg des elektrischen Widerstands wird mit einer Präzision gemessen, die nur durch supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUIDs) möglich ist. Jedes einzelne Photon wird so nicht nur registriert, sondern seine Energie wird mit einer Auflösung bestimmt, die herkömmliche wellenlängendispersive Spektrometer weit hinter sich lässt.

Die Zahlen sind eindrucksvoll: Wo ein klassisches Spektrometer Stunden benötigt, um ein verwertbares Spektrum zu sammeln, liefert der TES-Detektor Ergebnisse in Minuten. „Einige XES- und RIXS-Experimente, die normalerweise Stunden dauern würden, können jetzt in Minuten abgeschlossen werden“, so Decker. Das ist nicht nur eine Frage der Bequemlichkeit, sondern öffnet ein völlig neues experimentelles Fenster. Proben, die unter dem intensiven Röntgenstrahl schnell degradieren, können nun vermessen werden, bevor sie Schaden nehmen. Dynamische Prozesse, die sich in Echtzeit verfolgen lassen, werden zugänglich.

Die Architektur eines neuen Blicks

Das Instrument ist mehr als nur ein Detektor. Es ist eine vollständige experimentelle Umgebung, installiert an der UE52-SGM-Beamline von BESSY II, die volle Polarisationskontrolle bietet. Eine speziell angefertigte Ultrahochvakuum-Probenkammer erlaubt Transfer, Präparation und Messung unter präziser Temperaturkontrolle von 10 Kelvin bis Raumtemperatur. Geplante Erweiterungen sollen die Möglichkeit schaffen, Materialien in magnetischen Feldern zu untersuchen - etwa für Röntgen-Magnetischen Zirkulardichroismus in Absorption und Emission. Damit wird das System zu einer Plattform, die gezielt auf die Erforschung von Quantenmaterialien, Spintronik und neuartigen magnetischen Phänomenen ausgerichtet ist.

Die Bedeutung für die europäische Forschungslandschaft lässt sich kaum überschätzen. TES-Spektrometer wurden ursprünglich für astrophysikalische Anwendungen entwickelt, wo der Nachweis extrem schwacher Photonensignale essenziell ist - etwa bei der Untersuchung des Röntgenhintergrunds des Universums. Vor der Installation bei BESSY II gab es weltweit nur fünf solcher Systeme an Röntgeneinrichtungen: vier in den USA und eines in Japan. Europa besaß kein einziges. „Wir freuen uns darauf, spannende Forschungsvorschläge von unserer Nutzergemeinschaft zu erhalten“, sagt Decker.

Was unsichtbar war, wird sichtbar

Die wissenschaftlichen Perspektiven sind so konkret wie weitreichend. Decker selbst umreißt sie: „Dies kann neue Einblicke in die Molekularchemie oder Molekularbiologie liefern, aber auch in die Quanteneigenschaften von Systemen reduzierter Dimension wie atomaren Monolagen, Nanostrukturen und Verunreinigungen.“ Das sind nicht einfach nur vage Versprechen. Es geht um die elektronische Struktur einzelner katalytischer Zentren, um die Quantenzustände von Defekten in zweidimensionalen Materialien, um die chemische Identität einzelner Moleküle in biologisch relevanten Konzentrationen.

Der TES-Spektrometer ergänzt dabei Methoden wie ARPES (winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie), die die elektronischen Bandstrukturen solcher Systeme abtastet. Wo ARPES die besetzten Zustände kartiert, blickt RIXS tiefer in die unbesetzten Zustände und die kollektiven Anregungen - die Magnonen, Exzitonen oder Ladungstransfer-Prozesse, die das kollektive Verhalten von Quantenmaterialien bestimmen. Die Kombination beider Techniken mit der neuen Empfindlichkeit könnte ein Fenster in eine Welt aufstoßen, die bisher nur theoretisch beschrieben wurde.

Dass der Detektor ausgerechnet an einem Synchrotron der dritten Generation wie BESSY II in Betrieb geht, ist kein Zufall. Die brillanten, durchstimmbaren Röntgenpulse solcher Anlagen sind die ideale Anregungsquelle für die hochauflösende Spektroskopie. Und während die nächste Generation von Synchrotronen - Diffraktionsbegrenzte Speicherringe - bereits geplant wird, zeigt BESSY II, dass kluge Instrumentierung auch aus bestehenden Anlagen revolutionäre Wissenschaft herausholen kann. Manchmal genügt es, das Licht nicht nur zu erzeugen, sondern es auch richtig zu sehen.

Quellen:

• ‚Weirdos of the sperm whale world‘ appear to be evolving 2 different dialects, audio recordings suggest (Live Science)
• Wave-packet interferometry captures elusive dark excitons in organic superconductor (Phys.org)
• Why Are Twins Dishonest About The Problems They Create? (Psychology Today - Articles)
• Like Humans, Mediterranean Sperm Whales Have Their Own Dialects (Yale Environment 360)
• How Physicists Track and Trap the Elusive Neutrino (Quanta Magazine)
• New superconducting X-ray detector is up to 1,000 times more sensitive (ScienceDaily - All)

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Kinetyra