歐洲首台超導X射線光譜儀在德國上線，光子偵測效率提升千倍

德國研究人員已在頂尖第三代同步輻射光源設施BESSY II，正式啟動歐洲第一台、也是唯一一台超導TES陣列X射線光譜儀。

這項儀器由柏林亥姆霍茲中心（Helmholtz-Zentrum Berlin，HZB）、馬克斯普朗克化學能源轉換研究所（Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion，MPICEC）及美國國家標準與技術研究院（NIST）三方合作開發，採用248個感測器組成的偵測器陣列，對X射線光子的偵測效率遠優於傳統X射線發射光譜（XES）與共振非彈性X射線散射（RIXS）系統，效率為傳統波長分散式X射線發射光譜儀的100至1,000倍。

研究團隊表示，這台儀器將用於探究原子薄層、奈米結構，以及高度稀釋的原子與分子樣品之電子特性，預期將開創許多突破性實驗。

歐洲第一台TES光譜儀

BESSY II等同步輻射設施可產生強烈的X射線束，讓研究人員探測物質的結構與特性。然而，XES和RIXS等技術需偵測樣品受X射線照射後所發出的光子，因此對光子的需求量極高，過去僅適用於大型或高濃度樣品。

新型「躍遷邊緣感測器（Transition Edge Sensor，TES）」光譜儀將使原子薄層、奈米結構、雜質及高度稀釋分子系統的研究成為可能。

負責這台新儀器的HZB科學家Régis Decker博士表示：「我們在BESSY II投入運作的超導TES陣列光子偵測器，偵測光子的效率比傳統XES和RIXS光譜儀高出約100至1,000倍。」

Decker進一步說明，這套系統可為分子化學、分子生物學及量子材料研究提供全新洞見，同時也能與角解析光電子能譜（ARPES）等廣泛應用於電子能帶結構研究的技術相互補充。

重塑X射線分析的可能性

這台儀器有望大幅縮短實驗時間。實際上，原本以傳統系統需耗費數小時的量測工作，現在可能僅需幾分鐘即可完成，讓科學家能更有效率地收集數據、研究更多材料。

HZB指出，TES陣列光譜儀的248個感測器在冷卻至25毫克耳文（mK）時進入超導狀態，這僅略高於絕對零度一點點，需借助類似量子電腦所使用的氦-4/氦-3（He4-He3）稀釋冷凍機來實現。

當樣品發出的X射線光子撞擊其中一個感測器時，會引起極微小的溫度上升，短暫中斷感測器的超導狀態。這種電阻變化透過超導量子干涉元件（SQUIDs）陣列組成的電路加以偵測。

這台光譜儀還整合了客製化超高真空樣品腔，讓研究人員可在10克耳文（K）至室溫的溫度範圍內進行樣品的傳送、製備與量測。

整套系統安裝於BESSY II的UE52-SGM光束線，科學家也可在此控制入射X射線的偏振方向。「我們期待收到用戶社群所提出的精彩研究計畫，」Decker在新聞稿中如此表示。

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