欧洲首台TES光谱仪在BESSY II投入运行 让“弗成能”的X射线实验成为实际

该装配由亥姆霍兹柏林材料与能源中间（HZB）、马克斯·普朗克化学能转换研究所（MPI-CEC，德国米尔海姆）以及美国国度标准与技巧研究院（NIST，科罗拉多州博尔德）结合开辟，其对X射线光子的探测效力比拟传统波长色散型X射线发射光谱仪晋升约100至1000倍。

借助这一数量级的灵敏度晋升，科研人员初次可以体系地研究原子级薄层材料、纳米构造以及极端稀释的原子与分子样品的电子构造，这些此前因为旌旗灯号过弱而几乎无法开展的实验，如今成为可行的日常实验筹划。 相干团队已向用户开放，迎接各范畴科学家提交应用该新装配开展研究的实验申请。

同步辐射光源如BESSY II可以或许产生极为通亮的X射线束，是材料构造与性质研究的重要大年夜型科学装配。X射线发射光谱（XES）和共振非弹性X射线散射（RIXS）等技巧，恰是经由过程分析样品在X射线照射后发射出的X射线光子，来获取材料电子构造等关键信息。 然而，这类办法高度依附发射光子的数量，是以经久重要局限在体材料或高浓度样品上，对小体积或低浓度体系往往“鞭长莫及”。

HZB负责该装配的科学家Régis Decker表示，BESSY II新上线的这套超导TES阵列探测器，在光子探测效力上比惯例XES和RIXS光谱仪赶过约100至1000倍，为此前难以企及的样品类型打开了大年夜门。 这意味着很多以前受限于“亮度”与“信噪比”的实验，如今可以在合理时光内完成，极大年夜进步了实验通量。 在具体应用偏向上，Decker指出，该光谱仪可广泛办事于分子化学、分子生物学研究，以及以原子单层、纳米构造、杂质体系等为代表的低维量子材料体系研究。 在研究低维电子构造方面，它也与角分辨光电子能谱（ARPES）等技巧形成互补，为解析这些体系的量子性质供给新对象。

除了可测样品范围明显扩大年夜，实验效力的晋升也是一大年夜亮点。很多本来须要数小时甚至更久的测量，如今在某些情况下可在数分钟内完成，这将有助于更复杂参数扫描、更大年夜样本量统计以及原位、时光分辨等高难度实验设计的实施。

从技巧道理看，该装配核心是一块由248个超导探测单位构成的传感器阵列，这些传感器需在约25毫开尔文的极低温下工作——这一温度由He4-He3稀释制冷机实现，其技巧路线与量子计算机常用的稀释制冷技巧类似。 当样品受到同步辐射X射线照射后，会发射出具有特定能量的X射线光子，这些光子被TES阵列一一捕获，每一个光子带来的极渺小能量会短暂晋升传感器温度，使其超导态被稍微扰动，从而引起电阻变更。 这一细微电阻变更经由过程基于超导量子干涉器件（SQUID）的读出电路进行周详测量，从而实现对单光子能量的高精度解析。

为了合营这一高灵敏度探测体系，BESSY II还配备了一套专门设计的超高真空样品腔，支撑在严格真空前提下对样品进行传输、制备和测量，并可在10 K至室温范围内精确控制样品温度。 整套体系安装于BESSY II的UE52-SGM束线，该束线可供给周全可控的偏振态，为各类偏振依附的X射线光谱实验创造前提。 面向将来，团队筹划进一步加强样品制备才能，并引入外加磁场情况，以开展包含X射线磁圆二色效应接收实验（XMCD）和发射实验（RIXS-MCD）在内的磁性相干研究。

TES光谱仪最初出生于天体物理学范畴，用于探测来自遥远天体的极其微弱光子旌旗灯号。 在BESSY II安装之前，全球X射线举措措施中仅有5台TES光谱仪投入运行，个中4台位于美国，1台位于日本。 跟着这台新装配在BESSY II上线，欧洲终于拥有了首台、也是当前独一一台在同步辐射光源上运行的TES X射线光谱仪，为欧洲甚至全球用户供给了全新的实验平台。 Decker表示，团队等待从用户社区收到“令人高兴”的研究筹划，合营发掘这一新一代光谱仪在基本研究与应用摸索中的潜力。