Una nueva herramienta para investigación con rayos X acaba de entrar en operación en BESSY II, una instalación de sincrotrón en Alemania. Se trata de un espectrómetro basado en sensores superconductores TES, una tecnología capaz de detectar fotones con una eficiencia mucho mayor que los sistemas convencionales utilizados en ciertas técnicas de espectroscopía.

El instrumento fue desarrollado mediante una colaboración entre Helmholtz-Zentrum Berlin, el Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion y el National Institute of Standards and Technology de Estados Unidos. Su importancia es notable porque se trata del primer espectrómetro TES operando en una fuente de sincrotrón en Europa.

Para entender por qué esto importa, primero hay que hablar de las técnicas XES y RIXS. Ambas permiten estudiar la estructura electrónica de materiales usando rayos X. En términos simples, se ilumina una muestra con rayos X y luego se analizan los fotones que emite como respuesta. Esa información permite conocer cómo están distribuidos los electrones, cómo se enlazan los átomos y qué propiedades químicas o cuánticas tiene el material.

El problema es que estas técnicas suelen ser “hambrientas de fotones”. Necesitan detectar muchas señales para obtener datos útiles, por lo que tradicionalmente han funcionado mejor con muestras grandes, concentradas o relativamente fáciles de medir.

El nuevo espectrómetro TES cambia parte de ese escenario. Según HZB, su eficiencia para detectar fotones puede ser entre 100 y 1,000 veces mayor que la de espectrómetros convencionales usados en XES y RIXS. Esto podría permitir estudiar muestras mucho más pequeñas, materiales ultradelgados, nanoestructuras, impurezas y sistemas altamente diluidos.

En el corazón del instrumento hay una matriz de 248 sensores superconductores. Estos sensores operan a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de 25 milikelvin, muy cerca del cero absoluto. Para alcanzar esas condiciones se utiliza un refrigerador de dilución de helio-3 y helio-4, parecido a los sistemas de enfriamiento usados en computación cuántica.

El funcionamiento es delicado: cuando un fotón de rayos X llega al sensor, produce un pequeño aumento de temperatura. Ese cambio altera la resistencia eléctrica del sensor, que se encuentra justo en el borde de la transición entre estado superconductor y estado normal. Esa variación se mide con circuitos superconductores de alta sensibilidad.

La ventaja no está solo en detectar señales más débiles. También puede reducir tiempos de medición. Experimentos que antes podían requerir horas podrían realizarse en minutos, lo que abre nuevas posibilidades para estudiar materiales sensibles, inestables o difíciles de preparar.

Entre las aplicaciones más interesantes están los materiales 2D, monocapas atómicas, nanoestructuras, impurezas, moléculas diluidas y sistemas con propiedades cuánticas. Este tipo de información puede ser clave para avanzar en electrónica, catálisis, química molecular, física de materiales y tecnologías cuánticas.

Aunque no es un detector de uso cotidiano ni una herramienta comercial, su entrada en operación representa un avance importante para la ciencia de materiales. En pocas palabras, este nuevo espectrómetro permite observar señales que antes eran demasiado débiles, lentas o difíciles de medir. Y en investigación avanzada, ver lo casi invisible puede cambiarlo todo.