欧洲首台TES光谱仪在BESSY II投入运行 让“不可能”的X射线实验成为现实

欧洲首台、目前亦是唯一一台在同步辐射光源上运行的超导转变边缘传感器（TES）X射线光谱仪，近日在德国柏林的BESSY II同步辐射装置正式上线，为X射线研究带来一次“代际升级”。

该装置由亥姆霍兹柏林材料与能源中心（HZB）、马克斯·普朗克化学能转换研究所（MPI-CEC，德国米尔海姆）以及美国国家标准与技术研究院（NIST，科罗拉多州博尔德）联合开发，其对X射线光子的探测效率相比传统波长色散型X射线发射光谱仪提升约100至1000倍。

借助这一数量级的灵敏度提升，科研人员首次可以系统地研究原子级薄层材料、纳米结构以及极度稀释的原子与分子样品的电子结构，这些此前由于信号过弱而几乎无法开展的实验，如今成为可行的日常实验方案。 相关团队已向用户开放，欢迎各领域科学家提交利用该新装置开展研究的实验申请。

同步辐射光源如BESSY II能够产生极为明亮的X射线束，是材料结构与性质研究的重要大型科学装置。X射线发射光谱（XES）和共振非弹性X射线散射（RIXS）等技术，正是通过分析样品在X射线照射后发射出的X射线光子，来获取材料电子结构等关键信息。 然而，这类方法高度依赖发射光子的数量，因此长期主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负责该装置的科学家Régis Decker表示，BESSY II新上线的这套超导TES阵列探测器，在光子探测效率上比常规XES和RIXS光谱仪高出约100至1000倍，为此前难以企及的样品类型打开了大门。 这意味着许多过去受限于“亮度”与“信噪比”的实验，如今可以在合理时间内完成，极大提高了实验通量。 在具体应用方向上，Decker指出，该光谱仪可广泛服务于分子化学、分子生物学研究，以及以原子单层、纳米结构、杂质体系等为代表的低维量子材料体系研究。 在研究低维电子结构方面，它也与角分辨光电子能谱（ARPES）等技术形成互补，为解析这些系统的量子性质提供新工具。

除了可测样品范围显著扩大，实验效率的提升也是一大亮点。许多原本需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、更大样本量统计以及原位、时间分辨等高难度实验设计的实施。

从技术原理看，该装置核心是一块由248个超导探测单元构成的传感器阵列，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，其技术路线与量子计算机常用的稀释制冷技术类似。 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阵列逐一捕获，每一个光子带来的极微小能量会短暂提升传感器温度，使其超导态被轻微扰动，从而引起电阻变化。 这一细微电阻变化通过基于超导量子干涉器件（SQUID）的读出电路进行精密测量，从而实现对单光子能量的高精度解析。

为了配合这一高灵敏度探测系统，BESSY II还配备了一套专门设计的超高真空样品腔，支持在严格真空条件下对样品进行传输、制备和测量，并可在10 K至室温范围内精确控制样品温度。 整套系统安装于BESSY II的UE52-SGM束线，该束线可提供全面可控的偏振态，为各种偏振依赖的X射线光谱实验创造条件。 面向未来，团队计划进一步增强样品制备能力，并引入外加磁场环境，以开展包括X射线磁圆二色效应吸收实验（XMCD）和发射实验（RIXS-MCD）在内的磁性相关研究。

TES光谱仪最初诞生于天体物理学领域，用于探测来自遥远天体的极其微弱光子信号。 在BESSY II安装之前，全球X射线设施中仅有5台TES光谱仪投入运行，其中4台位于美国，1台位于日本。 随着这台新装置在BESSY II上线，欧洲终于拥有了首台、也是当前唯一一台在同步辐射光源上运行的TES X射线光谱仪，为欧洲乃至全球用户提供了全新的实验平台。 Decker表示，团队期待从用户社区收到“令人兴奋”的研究方案，共同挖掘这一新一代光谱仪在基础研究与应用探索中的潜力。

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