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近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天、蔣蔚研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院近代物理研究所孫良亭團(tuán)隊(duì)合作,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣樣品中極稀有放射性同位素氬-42(42Ar)的直接探測(cè)。氬-42在大氣中的同位素豐度極低,僅約為十萬億億分之一(10?21)量級(jí)。此次突破將現(xiàn)有方法的探測(cè)靈敏度提升了約4-5個(gè)數(shù)量級(jí),為超低豐度同位素的精密測(cè)量開辟了新路徑,標(biāo)志著單原子靈敏探測(cè)技術(shù)邁上新臺(tái)階。相關(guān)成果以為題,于4月14日發(fā)表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
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引言:大氣中的稀有蹤跡
氬氣是地球大氣的重要組分,除了我們熟知的穩(wěn)定同位素氬-40之外,大氣中還存在著極少量的放射性同位素——?dú)?42(42Ar)。它的半衰期約為33年,主要由宇宙射線與上層大氣中的氬-40相互作用產(chǎn)生。雖然氬-42十分的稀少,但是科學(xué)家卻對(duì)它十分關(guān)注。因?yàn)闅?42有望成為研究洋流循環(huán)和地下水的一種新型年齡示蹤劑,同時(shí)還可能是物理學(xué)家用作暗物質(zhì)研究的下一代液氬探測(cè)器的重要本底之一。
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▲地球大氣層(圖片來源:wikipedia)
困境:什么是“十萬億億分之一”的尋找?
然而,它在大氣中的預(yù)計(jì)豐度僅為10?21量級(jí),也就是十萬億億分之一。這是一個(gè)什么概念?地球上所有沙子的數(shù)量大約是10的19次方粒。尋找氬-42相當(dāng)于從比這多100倍的沙子里去挑選特定的一粒沙,其難度可想而知。
面對(duì)如此極端的豐度,傳統(tǒng)的微量元素探測(cè)手段幾近失效。加速器質(zhì)譜法(AMS)是目前最強(qiáng)大的技術(shù)之一,但在10-21量級(jí)下,AMS遇到了難以逾越的瓶頸:同量異位素和相鄰?fù)凰氐谋镜赘蓴_。在極其微弱的信號(hào)中,儀器很容易把質(zhì)量相近的其他原子或分子碎片誤認(rèn)為是氬-42。目前AMS的靈敏度上限約為10-16,距離探測(cè)氬-42還差4–5個(gè)數(shù)量級(jí)。
常規(guī)手段束手無策,物理學(xué)家們必須另辟蹊徑。
破局:用“光”織就的原子篩選機(jī)
為了在茫茫原子海中揪出氬-42,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天、蔣蔚研究團(tuán)隊(duì)亮出了他們的絕活——原子阱痕量分析技術(shù)(ATTA,Atom Trap Trace Analysis)。這項(xiàng)技術(shù)的核心思想很巧妙:我們不再試圖去“稱”原子的質(zhì)量,而是用特定的激光去“呼喚”它,讓它自己發(fā)光現(xiàn)身。
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▲萬兆豐博士(右)和博士生梁佳煒(左)在檢查氬同位素原子阱儀器的激光系統(tǒng)
量子力學(xué)告訴我們,每一種原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)都是獨(dú)一無二的,它們只吸收和發(fā)射特定頻率(顏色)的光子。研究團(tuán)隊(duì)利用這一特性,仔細(xì)調(diào)諧了激光的頻率,使其只與氬-42原子的共振頻率匹配。
當(dāng)來自大氣、經(jīng)過處理的氬氣樣品束流穿過真空管道時(shí),六束來自不同方向的激光就像是六面無形的墻壁,編織成了一個(gè)“磁光阱”。 對(duì)于數(shù)量龐大的氬-40來說,這些激光完全是透明的,它們毫無阻礙地穿透而過。但是,當(dāng)氬-42原子碰巧經(jīng)過時(shí),情況完全不同: 它會(huì)快速地吸收迎面而來的共振激光光子,然后再向四面八方發(fā)射出熒光光子。每一次吸收和發(fā)射,來自激光中光子的動(dòng)量都會(huì)給它一個(gè)微小的“推力”。在短短幾毫秒內(nèi),這顆氬-42原子經(jīng)歷了數(shù)萬次光子散射,它的速度被迅速減慢(也就是被“冷卻”到了接近絕對(duì)零度),最終被“捕獲”在磁光阱的中心。
此時(shí),被困住的氬-42原子就像一顆在黑夜中亮起的微縮燈泡。通過高靈敏度的CCD相機(jī),科學(xué)家們可以清晰地拍下原子的“大頭照”,并且對(duì)原子個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。用這個(gè)方法可以逐個(gè)數(shù)出同位素豐度低至十萬億億分之一的氬-42原子。 由于只有目標(biāo)同位素能夠滿足這種極其嚴(yán)苛的共振條件,ATTA技術(shù)從物理原理上徹底消除了其他元素和分子的干擾。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手:大海撈針的第一步
雖然ATTA技術(shù)猶如擁有極高的選擇性,但鑒于自然界中氬-42的豐度實(shí)在太低,如果直接把原始?xì)鍤鈽悠匪腿朐于澹A(yù)計(jì)每個(gè)月只能捕獲約1個(gè)氬-42原子,難以滿足高精度測(cè)量的需求。
為此,中國科大團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院近代物理研究所的孫良亭團(tuán)隊(duì)展開了緊密的合作。近代物理研究所專門研制了一臺(tái)強(qiáng)流電磁質(zhì)譜裝置。這臺(tái)裝置就像一個(gè)“篩子”對(duì)樣品先進(jìn)行粗篩,利用電磁場(chǎng)將樣品中占比超過99%的氬-40大量剝離,同時(shí)收集稀有的氬-42和作為參考的穩(wěn)定同位素氬-38。經(jīng)過預(yù)富集,氬-42的相對(duì)含量提高了約450倍,樣品的“含金量”大幅提升,隨后再被送入中國科大的原子阱系統(tǒng)中進(jìn)行最終的單原子探測(cè)。通過兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的緊密協(xié)作,原本極為困難的測(cè)量任務(wù)終于化為了實(shí)驗(yàn)室里清晰的單原子熒光信號(hào)。最終,團(tuán)隊(duì)成功測(cè)定了大氣中氬-42的豐度水平,相關(guān)成果在頂級(jí)期刊《Nature Physics》上在線發(fā)表。
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▲大氣42Ar的測(cè)量。來自大氣的氬氣樣品先經(jīng)過同位素預(yù)富集,除去大部分40Ar。富集后的氬樣品被送入原子阱系統(tǒng),進(jìn)行42Ar同位素的單原子探測(cè)。
結(jié)語
從大氣中極其微量的放射性同位素,到實(shí)驗(yàn)室里用激光操控單個(gè)原子,這項(xiàng)研究不僅為未來的大型液氬暗物質(zhì)探測(cè)器和稀有事件搜尋實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的本底數(shù)據(jù),更將人類對(duì)極稀有同位素的探測(cè)極限推向了一個(gè)全新的高度。
審校:蔣蔚
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41567-026-03257-9
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