Až 1000krát citlivější než cokoliv dosud. Berlínský detektor vidí vzorky, které byly kdysi pro vědu neviditelné

V berlínském synchrotronu BESSY II začal letos pracovat supravodivý spektrometr, který zachytí až tisíckrát víc rentgenových fotonů než dosavadní přístroje.

Zdroj fotografie: Josef Uher / Creative Commons / CC BY-SA

Berlínský detektor není žádná abstrakce. Jde o zcela konkrétní přístroj s označením TES@UE52_SGM, nainstalovaný na jedné z měřicích linek synchrotronového zařízení BESSY II, které provozuje Helmholtz-Zentrum Berlin. V červnu 2026 tým vedený fyzikem Régisem Deckerem publikoval v časopise Review of Scientific Instruments výsledky, které ukazují, proč je toto zařízení výjimečné: oproti klasickým spektrometrům s mřížkami, pomocí nichž vědci dosud analyzovali měkké rentgenové záření, zachytil nový přístroj zhruba 100 až 1000krát více fotonů. A právě v tom tkví ono „vidí neviditelné”: vzorky, které dříve vysílaly příliš slabý signál na to, aby ho bylo možné v rozumném čase změřit, teď konečně „mluví”.

Je až 1000krát citlivější

Číslo v titulku je horní hranice rozmezí, které uvádí jak tisková zpráva HZB, tak samotný vědecký článek. Důležité je pochopit, co se tím měří. Nejde o tisícinásobně ostřejší obraz ani o tisícinásobně přesnější rozlišení energií; v tom jsou klasické přístroje s difrakčními mřížkami stále lepší, s rozlišením v řádu desítek až stovek milielektronvoltů. Berlínský TES nabízí rozlišení 0,7 až 1,8 eV, tedy hrubší.

Průlom je jinde. TES zachytí dramaticky větší podíl fotonů, které vzorek vyzáří. Odborně se tomu říká sběrná účinnost a právě ta je o dva až tři řády vyšší. Praktický výsledek? Měření, které by na klasickém přístroji trvalo hodiny nebo dny a při němž by se vzorek mohl poškodit intenzivním rentgenovým svazkem, zvládne berlínský spektrometr ve zlomku času. A hlavně: umožní měřit i vzorky, které byly dříve mimo dosah.

Vzorky, které byly dosud mimo hru

Decker a jeho kolegové to v článku dokládají dvěma demonstračními experimenty. První: monovrstva hexagonálního nitridu boru na podložce z oxidu křemičitého, překrytá grafenem. Jedna atomární vrstva materiálu, signál tak slabý, že ho klasický spektrometr v šumu nenajde. TES ho dokázal přečíst.

Druhý příklad je ještě výmluvnější pro chemii a biologii. Tým změřil emisní spektrum 0,5milimolárního roztoku ferrikyanidu draselného, zmraženého ve vodě. Půl milimolu na litr je koncentrace, při které se dosavadní přístroje dostávaly na hranici svých možností. Právě tady se otevírá cesta k měření zředěných molekulárních systémů, bioinspirovaných katalyzátorů a v budoucnu možná i proteinů.

„Neviditelné” tedy neznamená, že by tyto vzorky fyzikálně neexistovaly nebo nemohly záření vysílat. Znamená to, že jejich signál byl pro dosavadní techniku příliš slabý. Berlínský TES zesílil mikrofon.

Supravodivost na hraně

Srdcem přístroje je pole 248 supravodivých senzorů, z nichž každý pracuje na principu přechodové hrany (transition edge). Materiál senzoru je ochlazen těsně pod svou kritickou teplotu, tedy na bod, kde přechází z normálního do supravodivého stavu. V tomto extrémně úzkém pásmu i jediný dopadající foton měkkého rentgenového záření ohřeje senzor natolik, že se jeho odpor skokově změní. Tuto změnu přečtou supravodivé obvody SQUID.

Celý systém vyžaduje chlazení pod 25 milikelvinů, tedy na teplotu přibližně dva stupně nad absolutní nulou. K tomu slouží héliový diluční chladič, technologie známá i konstruktérům kvantových počítačů. IBM ve svých supravodivých kvantových procesorech používá teploty 15 až 20 milikelvinů ze stejného důvodu: potlačit tepelný šum. Rozdíl je v účelu: kvantový počítač chrání křehký stav qubitu, zatímco TES využívá stejné prostředí k tomu, aby jediný foton vyvolal měřitelný signál.

Právě technická náročnost vysvětluje, proč přístroj nevznikl dříve. Kombinace nejnovější generace pole TES, mikrovlnného multiplexingu přes SQUIDy, dilučního chladiče, ultravakuové komory pro vzorky a synchrotronové linky s plnou kontrolou polarizace představuje inženýrský výkon, který před Berlínem zvládlo jen několik pracovišť na světě, všechna mimo Evropu. Instalace v BESSY II je první svého druhu na evropském kontinentu.

Co to znamená pro českou vědu

Česko synchrotron srovnatelný s BESSY II nemá. Domácí velké výzkumné infrastruktury, ať už CANAM při Ústavu jaderné fyziky AV ČR pracující s urychlenými ionty a neutrony, nebo laserové centrum ELI Beamlines v Dolních Břežanech, patří do jiné kategorie zařízení. Pro experimenty s měkkým rentgenovým zářením na úrovni, kterou nabízí berlínský TES, musí čeští výzkumníci cestovat.

Dobrá zpráva: přístup k BESSY II je otevřený. Vědci z kterékoli země mohou podat návrh experimentu přes online systém GATE, standardní cestou takzvaného Regular Access. Stačí dvoustránkový vědecký záměr v angličtině a kladné hodnocení nezávislou komisí. Žádné národní kvóty, žádné diplomatické dohody, pouze kvalita návrhu.

Pro obory jako katalýza, elektrochemie nebo materiálový výzkum 2D struktur je to významné. Přístroj umí určovat oxidační stavy, lokální symetrii nebo hybridizaci kovových a ligandových orbitalů, tedy přesně ty informace, které rozhodují o výkonu katalyzátoru nebo elektrody. A nyní je dokáže číst i tam, kde je aktivní oblast atomárně tenká nebo kde je účinná látka extrémně zředěná.

Berlínský TES nenahradí všechny dosavadní spektroskopické metody; tam, kde je potřeba ultrajemné energetické rozlišení, zůstávají klasické mřížkové přístroje nepřekonané. Otevřel ale kategorii vzorků, které byly dosud pro synchrotronovou spektroskopii prakticky nedostupné. A právě v této kategorii se mohou objevit odpovědi na otázky, které věda zatím ani neuměla položit.