拥有世界最高性能的软X射线同步辐射设施——NanoTerasu（全称NanoTerasu Synchrotron Light Source）已从2025年3月起向公众开放共享使用。NanoTerasu将提供软X射线超高分辨率共振非弹性散射、软X射线纳米光电子能谱和软X射线纳米吸收光谱三条共用光束线（BL）供研究人员使用。该设备配备有7条联合研究光束线。日本量子科学技术研究开发机构（QST）NanoTerasu中心主任高桥正光自信地表示：“BL项目将由在SPring-8运营中积累了丰富经验的日本高亮度光科学研究中心（JASRI）负责研究课题的征集、筛选以及用户支持，联合研究成员使用设施则由日本光科学创新中心负责。通过推动基于好奇心和解决方案的共享课题、联合研究课题两方面，我们将力争促进高水平科学技术的发展。”
软X射线同步辐射设施“NanoTerasu”外观
QST Nano Terasu中心主任高桥正光
同步辐射（Synchrotron Radiation）是指被加速到接近光速的电子被弯曲时，沿运动轨道切线方向放射出的光。利用同步辐射，可以观察到纳米级以下物质的功能和形态，可以加速生物学、行星和地球科学、能源、材料、器件、食品等各个领域的研究开发。全球各地目前已经建成了大约50座同步辐射设施，其中日本作为同步辐射技术的佼佼者，一直处于世界领先地位。
同步辐射设施根据能量和波长的不同，可分为处理硬X射线和软X射线的设施，前者可以在原子水平上揭示物质的结构，后者则可以揭示物质的电子状态。日本于1990年代建造的大型同步辐射设施“SPring-8”是世界最高标准的设施，但它所处理的同步辐射是硬X射线。而在软X射线方面，当外国的设施在2000年代相继完工时，日本却被甩在了后面。
为此，继承了SPring-8和自由电子激光设施“SACLA”积累的技术，在软X射线方面具有世界最高性能的NanoTerasu在政府和民间的合作下建设完成。该设施融合了能够将电子封存在小截面轨道上并使其环绕的存储环、产生高亮度同步辐射的波荡器（插入光源）、C波段加速器管和透明栅极热阴极电子源等最尖端技术。
在软X射线超高分辨率共振非弹性散射BL方面，NanoTerasu通过最长的光束线光学系统实现了可以检测到10万分之1能量变化的世界最高的能量分辨率，从而能够阐明物质中产生的各种电子状态变化。相关应用例如，通过观察各种电池的电极反应和伴随化学反应的电子状态变化，有望推动延长电池寿命的研究。
在软X射线纳米光电子能谱BL方面，利用NanoTerasu的高亮度性能和日本国产的高效X射线镜，该设施可实现明亮纳米聚光软X射线光束的光电子能谱测量。依托纳米级的空间分辨率，可以确定包括自旋在内的物质的电子状态。相关应用例如，通过观测微单晶和电子相分离状态，有望推动新一代电子器件材料和高温超导体的开发。
在软X射线纳米吸收光谱BL方面，该设施通过世界首创的分裂波荡器，实现了在广泛能量范围内多种偏振状态的产生及其快速切换。在同一样品上，可以观察到右旋偏振光和左旋偏振光的吸收率差异。相关应用例如，进行利用圆偏振光的光学活性物质分析以及观测斯格明子等物质的新奇磁结构。
这3条共享光束线将从明年开始向公众开放使用。据悉，在每年约6000小时的机器工作时间中，第一年将开放共享3000小时，目标最终将提升至5000小时。
此外，作为联合研究成员（约150个机构参与）的大学和研究机构、民间企业的研究人员可以利用软X射线电子状态分析、软X射线操作数光谱、软X射线成像、X射线结构和电子状态总体分析等7条联盟BL。高桥主任表示：“利用多个BL，可以开展以问题解决为指向的研究开发。”
除了NanoTerasu，日本可用于分析物质结构和性质的大型研究设施还包括SPring-8和使用中子的J-PARC。QST理事长小安重夫表示：“未来，有必要建立一个能够一站式利用多个大型研究设施的机制。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
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