Neuer Röntgendetektor 1000-mal empfindlicher

Röntgenlicht ist ein mächtiges Werkzeug, um in die Welt der Atome und Moleküle zu blicken. An Großforschungsanlagen wie BESSY II in Berlin werden extrem helle Röntgenstrahlen erzeugt, mit denen Wissenschaftler die Struktur und Eigenschaften von Materialien untersuchen. Eine wichtige Methode ist die Röntgenemissionsspektroskopie (XES): Dabei wird eine Probe mit Röntgenstrahlen angeregt, woraufhin sie selbst Röntgenlicht einer bestimmten Energie aussendet. Dieses Emissionsspektrum verrät viel über die elektronische Struktur der Probe. Bisher hatten diese Verfahren jedoch eine große Schwäche: Sie benötigen sehr viele Photonen, um ein brauchbares Signal zu erhalten. Das bedeutete, dass nur konzentrierte Proben oder dicke Schichten untersucht werden konnten – extrem verdünnte Proben oder hauchdünne Nanostrukturen blieben unsichtbar.

Ein internationales Team unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI-CEC) und des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) hat dieses Problem nun gelöst. Sie haben am Berliner Synchrotron BESSY II einen neuartigen Röntgendetektor in Betrieb genommen, der auf supraleitenden Sensoren basiert – den sogenannten Transition-Edge-Sensoren (TES). Das Herzstück des Geräts sind 248 winzige Sensoren, die auf extrem niedrige Temperaturen von nur 25 Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Trifft ein einzelnes Röntgenphoton auf einen dieser Sensoren, erwärmt er sich kurzzeitig und verändert seinen elektrischen Widerstand. Diese winzige Änderung wird mit hochempfindlichen SQUID-Schaltkreisen gemessen. Das Ergebnis: Der Detektor ist 100- bis 1000-mal effizienter als herkömmliche Spektrometer.

„Der neue TES-Spektrometer ist das erste und einzige seiner Art an einem Synchrotron in Europa“, erklärt Régis Decker, der verantwortliche Wissenschaftler am HZB. „Bisher gab es solche Systeme nur in den USA und Japan.“ Die enorme Empfindlichkeit eröffnet völlig neue Forschungsmöglichkeiten. „Wir können nun die elektronischen Eigenschaften von atomar dünnen Schichten, Nanostrukturen und sogar von einzelnen Verunreinigungen in einem Kristall untersuchen“, so Decker. Das ist besonders für die Quantenforschung und die Molekularbiologie relevant. Zudem verkürzen sich die Messzeiten drastisch: Was früher Stunden dauerte, ist jetzt in Minuten erledigt. Das Team lädt nun die internationale Wissenschaftsgemeinschaft ein, Experimente mit dem neuen Gerät zu beantragen. Geplante Erweiterungen, wie die Untersuchung von Proben in Magnetfeldern, werden die Möglichkeiten weiter vergrößern.