METRIXS

Was macht man mit der neuen Beamline?

Das Momentum and Energy Transfer Resonant Inelastic X-ray Scattering setup METRIXS ermöglicht die spektroskopische Untersuchung von Materialien mit höchster Energieauflösung. Insbesondere Energiebandbreiten unterhalb der natürlichen Linienbreite erlauben Erforschung von Ladungs- und Kerndynamik sowie Energiepotentialflächen in komplexen Systemen auf Femtosekunden-Zeitskalen.

Was ist daran neu?

Mit dem METRIXS setup an BESSY II erhält das Helmholtz-Zentrum Berlin ein state-of-the-art Spektrometer für resonante inelastische Röntgenstreuung welches nicht nur hochauflösende Studien elektronische Valenzzustände komplexer Materialien erlaubt, sondern desweiteren auch Kerndynamik im Grundzustand und Ladungstransfer. Der METRIXS-Aufbau bietet neben einer Probenumgebung für Festkörper auch die Möglichkeit der Untersuchung von verdünnten Proben wie Gase, Lösungen und dünne Filme.

Was ist das Ziel?

Mit Hilfe des METRIXS-Projektes soll die Kartierung von lokalen Potentialflächen in komplexen Systemen vorangetrieben werden. Selektive Anregung entlang bestimmer Kernkoordinaten erlaubt eine gezielte Messung chemischer Bindungsdynamik, die Einblick in Reaktionsabläufe gibt. Photochemische Prozesse in solaren Brennstoffen können in diesem Rahmen untersucht werden, genauso wie die Effizienz katalytischer Prozesse oder die Elektrochemie von Energiespeicherung.

Über das Projekt

metrixs resolution

Um niederenergetische Anregungen verstehen zu können, ist eine saubere Trennung im Energiebereich wichtig. Dieses Beispiel zeigt wie der Detaillierungsgrad der Spektren mit dem Auflösungsvermögen E/dE gekoppelt ist.

Niederenergetische Anregungen in Materie bestimmen deren Funktionalität, das heißt drastische Veränderungen von Materialeigenschaften werden durch vergleichsweise geringe externe Trigger verursacht. Eine solche Funktionalität kann zur Speicherung von Informationen verwendet werden, zur Wandlung von Energie oder auch zur Steuerung von chemischen Reaktionen.

In Photokatalysatoren wird die elektronische Leitfähigkeit und die katalytische Aktivität nicht nur durch den Oxidationszustand und die Struktur des Valenzbandes beeinflusst. Dies geschieht auch durch die Anwesenheit äquivalenter, langreichweitiger Wechselwirkungen, orbitaler Polarisation und der magnetischen Konfiguration. Diese Parameter waren bisher unzugänglich für Forscher auf dem Gebiet der Energiematerialien.

Resonante inelastische Röntgenstreuung eröffnet hier neue Möglichkeiten: Durch Anregung der Kernelektronen können elektronische Zustände und deren Dynamik atomspezifisch und chemisch selektiv untersucht werden. Dieses bedeutet die Chance einer lokale Messung von niederenergetischen Anregungen in komplexen Systemen.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin werden die Synchrotron-Spektroskopie-Experten gemeinsam mit ihren Kollegen im Bereich der erneuerbaren Energien diese Herausforderung angehen: Das Momentum and Energy Transfer RIXS (METRIXS) Setup erlaubt Zugriff auf die obengenannten Parameter für alle nicht-äquivalenten Atome und gibt zusätzlich Auskunft über die Potentialfläche entlang Schwingungs- und Reaktionskoordinaten sowie langreichweitige Ladungs-, Orbital- und Spin-Ordnung. Diese einzigartigen Einblicke ermöglichen es uns, die photokatalytische Aktivität für beispielsweise Wasserspaltung an der Struktur der Materialien zu koppeln, was eine effiziente und rationelle Optimierung von Syntheseverfahren in einem kurzen Feedbackloop ermöglicht. Durch gezielte Überschreitung der klassischen Grenzen zwischen Aggregatzuständen in Kombination von Materialsynthese und State-of-the-Art-Charakterisierungsmethoden, erlaubt METRIXS einen tiefen Einblick in erhöhte katalytische Funktionalität.