기존 파장분산형 X선 방출 분광기보다 100~1000배 높은 광자 검출 효율을 갖춘 장비
- 독일 헬름홀츠 베를린센터(HZB)가 다른 두 기관과 공동 개발한 초전도 TES(Transition Edge Sensor) 배열 X선 분광기가 싱크로트론 광원 BESSY II에서 본격 가동에 들어감
- 이번 장비는 원자 단층, 나노구조, 초희석 시료 등 기존에는 분석이 어려웠던 물질의 전자 특성 연구에 활용될 예정
검출 효율 최대 1000배 향상
- X선 방출 분광(XES)과 공명 비탄성 X선 산란(RIXS)은 시료에서 방출되는 광자를 측정하는 기법으로, 많은 광자가 필요해 지금까지는 고농도 벌크 시료 분석에 주로 사용됨
- 연구진은 새 TES 분광기가 기존 장비 대비 100~1000배 높은 검출 효율을 제공해 훨씬 적은 양의 시료에서도 정밀 분석이 가능하다고 설명
원자 단층·나노구조 연구 가능
- 이를 통해 분자 화학·분자생물학 연구뿐 아니라 원자 단층, 나노구조, 불순물 등 저차원 물질의 양자 특성을 분석할 수 있게 됨
- 또한 기존에 수 시간이 걸리던 일부 XES·RIXS 측정을 수 분 내에 수행할 수 있어 연구 효율도 크게 향상될 전망
248개의 초전도 센서 탑재
- TES 분광기는 248개의 초전도 센서로 구성돼 있으며, 절대온도 25mK(밀리켈빈)에서 작동
- 시료가 X선을 흡수한 뒤 방출한 광자가 센서에 도달하면 순간적인 온도 변화가 발생하고, 이에 따른 전기저항 변화를 초전도 양자간섭소자(SQUID) 회로가 측정해 광자를 검출하는 방식
- 장비는 10K에서 상온까지 정밀 온도 제어가 가능한 초고진공 시료 챔버와 함께 BESSY II의 UE52-SGM 빔라인에 설치됨
유럽 최초·유일의 싱크로트론 TES 분광기
- TES 분광기는 원래 천체물리학 분야에서 극미약 광자를 검출하기 위해 개발된 기술
- 현재 전 세계 X선 광원에 설치된 TES 분광기는 미국 4기, 일본 1기에 불과했으며, 이번 BESSY II 장비가 유럽 최초이자 유일한 싱크로트론 기반 TES 분광기
- 연구진은 향후 시료 준비 기능 고도화와 자기장 환경에서의 XMCD·RIXS-MCD 측정 기능도 추가할 계획이라고 밝힘
