Un nouvel outil majeur pour la recherche en rayons X est désormais opérationnel à BESSY II. Développé grâce à une collaboration entre HZB, MPI-CEC (Mühlheim-an-der-Ruhr, Allemagne) et NIST (Boulder, CO, États-Unis), cet instrument est le premier et le seul spectromètre TES fonctionnant dans une installation de synchrotron en Europe.
Le nouveau système offre une amélioration spectaculaire de l’efficacité de détection des photons, surpassant les spectromètres d’émission X à dispersion de longueur d’onde conventionnels par un facteur de 100 à 1000. Les chercheurs prévoient de l’utiliser pour étudier les propriétés électroniques de matériaux atomiquement fins, de nanostructures, ainsi que d’échantillons atomiques et moléculaires hautement dilués. L’équipe invite désormais la communauté scientifique à soumettre des propositions de recherche.
Amélioration de la Sensibilité en Spectroscopie X
Des installations comme BESSY II génèrent des rayons X synchrotroniques extrêmement brillants et intenses, permettant aux scientifiques d’analyser une large gamme de matériaux. Cependant, des techniques telles que la spectroscopie d’émission X (XES) et la diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) rencontrent des défis importants. Ces méthodes dépendent de la détection des photons émis par l’échantillon, nécessitant de grandes quantités de photons pour produire des mes utiles.
En conséquence, les expériences XES et RIXS étaient traditionnellement limitées à des échantillons concentrés et à des matériaux en vrac.
« Le détecteur de photons à capteur de transition supraconducteur (TES) que nous avons maintenant mis en service à BESSY II est environ 100 à 1000 fois plus efficace pour détecter les photons que les spectromètres XES et RIXS conventionnels », déclare Régis Decker, scientifique responsable de ce nouvel instrument.
Exploration des Matériaux Quantiques et des Systèmes Ultra-Fins
Cette sensibilité accrue ouvre la voie à des expériences qui étaient auparavant difficiles ou impossibles à réaliser.
« Cela peut fournir de nouvelles perspectives sur la chimie moléculaire ou la biologie moléculaire, mais également sur les propriétés quantiques de systèmes en dimensions réduites, tels que les monocouches atomiques, les nanostructures et les impuretés. Le spectromètre TES complète des méthodes comme l’ARPES, qui examine les structures de bandes électroniques de tels systèmes », ajoute Régis Decker.
L’instrument peut également réduire considérablement les temps de collecte de données. Certaines expériences XES et RIXS qui nécessitaient normalement des heures peuvent désormais être réalisées en quelques minutes.
248 Capteurs Supraconducteurs Fonctionnant Près de Zéro Absolu
Au cœur du spectromètre à matrice TES se trouvent 248 capteurs qui deviennent supraconducteurs lorsqu’ils sont refroidis à 25 milli-Kelvin. Pour atteindre cette température, les chercheurs utilisent un réfrigérateur à dilution He4-He3, similaire à ceux employés dans les systèmes de calcul quantique.
Lorsque les rayons X interagissent avec un échantillon, celui-ci émet des photons. Ces photons frappent des capteurs individuels au sein de la matrice TES, provoquant une augmentation soudaine de la température. Ce réchauffement momentané perturbe l’état supraconducteur et augmente la résistance électrique du capteur. La variation est ensuite mesurée à l’aide d’un circuit basé sur une matrice de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs).
Gestion Avancée des Échantillons et Améliorations Futures
Le spectromètre est connecté à une chambre à vide ultra-haut qui supporte le transfert, la préparation et la me des échantillons. La chambre fournit également un contrôle précis de la température allant de 10 K à la température ambiante.
Le système complet est installé à la ligne de faisceau UE52-SGM de BESSY II, qui offre un contrôle de polarisation complet. Des améliorations prévues incluent des capacités de préparation d’échantillons améliorées et la possibilité d’étudier des matériaux dans des champs magnétiques pour la dichroïsme circulaire magnétique des rayons X en absorption (XMCD) et en émission (RIXS-MCD).
Le Seul Spectromètre TES de Synchrotron en Europe
Les spectromètres TES ont été initialement créés pour des applications en astrophysique, où la détection de signaux de photons extrêmement faibles est essentielle. Avant l’installation à BESSY II, seulement cinq spectromètres TES fonctionnaient dans des installations de rayons X à travers le monde, dont quatre aux États-Unis et un au Japon.
BESSY II abrite désormais le seul spectromètre TES de synchrotron en Europe.
« Nous sommes impatients de recevoir des propositions de recherche passionnantes de notre communauté d’utilisateurs », conclut Decker.
Source : HZB.
