Un rilevatore a raggi X superconduttore che cambia le regole del gioco
Il nuovo rilevatore a raggi X superconduttore installato presso il sincrotrone BESSY II di Berlino rappresenta un salto enorme per la ricerca sui materiali. Fino a 1.000 volte più sensibile rispetto agli spettrometri convenzionali, questo strumento apre possibilità che fino a poco tempo fa sembravano fuori portata. Nato dalla collaborazione tra l’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), il Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion e il NIST statunitense, si tratta del primo e unico spettrometro TES operativo in un sincrotrone europeo.
La tecnologia alla base è tanto affascinante quanto complessa, ma il concetto chiave è relativamente semplice. Al cuore dello strumento ci sono 248 sensori superconduttori che funzionano a una temperatura di appena 25 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Per raggiungere quel freddo estremo si utilizza un refrigeratore a diluizione elio 4/elio 3, simile a quelli impiegati nei computer quantistici. Quando i raggi X colpiscono un campione, questo emette fotoni. Ogni fotone che raggiunge un sensore provoca un minuscolo riscaldamento, sufficiente a interrompere lo stato superconduttivo e generare un cambiamento nella resistenza elettrica misurabile con estrema precisione.
Perché questa sensibilità cambia tutto
Tecniche come la spettroscopia di emissione a raggi X (XES) e lo scattering anelastico risonante (RIXS) hanno sempre avuto un limite pratico piuttosto frustrante: servivano campioni concentrati e voluminosi per ottenere dati utilizzabili. Con il nuovo rilevatore a raggi X superconduttore di BESSY II, esperimenti che prima richiedevano ore di raccolta dati possono concludersi in pochi minuti. Questo significa poter finalmente studiare materiali sottilissimi, spessi anche un solo strato atomico, oltre a nanostrutture e campioni con concentrazioni bassissime di atomi o molecole.
Régis Decker, lo scienziato responsabile del nuovo strumento presso HZB, ha spiegato che lo spettrometro TES può fornire informazioni preziose sulla chimica molecolare, sulla biologia molecolare e sulle proprietà quantistiche di sistemi a dimensionalità ridotta. In pratica, il dispositivo complementa altre tecniche già esistenti come l’ARPES, che analizza le strutture a bande elettroniche.
Il futuro dello spettrometro TES europeo
Lo spettrometro è collegato a una camera a vuoto ultraspinto progettata su misura, che consente il trasferimento, la preparazione e la misurazione dei campioni con un controllo della temperatura che va da 10 Kelvin fino a temperatura ambiente. Il sistema completo è installato sulla linea di luce UE52 SGM di BESSY II, che offre pieno controllo della polarizzazione.
Prima di questa installazione, nel mondo esistevano solo cinque spettrometri TES operativi presso strutture a raggi X: quattro negli Stati Uniti e uno in Giappone. Ora l’Europa ha il suo, ed è a Berlino. Tra gli aggiornamenti futuri previsti ci sono capacità avanzate di preparazione dei campioni e la possibilità di studiare materiali immersi in campi magnetici, aprendo la strada a misurazioni di dicroismo circolare magnetico sia in assorbimento che in emissione.
Il team sta già raccogliendo proposte di ricerca dalla comunità scientifica. E a giudicare dalle potenzialità di questo rilevatore a raggi X superconduttore, la coda di chi vorrà utilizzarlo potrebbe diventare piuttosto lunga.
