近日，中国科学时刻大学卢征天、蒋蔚接头团队与中国科学院近代物理接头所孙良亭团队合作，得手已毕了对大气样品中极有数放射性同位素氩-42（42Ar）的平直探伤。氩-42在大气中的同位素丰采极低，仅约为十万亿亿分之一（10⁻²¹）量级。这次阻止将现存措施的探伤贤人度教育了约4-5个数目级，为超低丰采同位素的精密测量开垦了新旅途，美艳着单原子贤人探伤时刻迈上新台阶。联系后果以“Detection of Atmospheric 42Ar at the 10⁻²¹ Level by Atom Counting”为题，于4月14日发表在《当然-物理》（Nature Physics）上。

序文：大气中的有数印迹

氩气是地球大气的挫折组分，除了咱们熟知的巩固同位素氩-40除外，大气中还存在着极小数的放射性同位素——氩-42（42Ar）。它的半衰期约为33年，主要由天下射线与表层大气中的氩-40相互作用产生。固然氩-42十分的爱戴，但是科学家却对它十分关爱。因为氩-42有望成为接头洋流轮回和地下水的一种新式年事示踪剂，同期还可能是物理学家用作暗物资接头的下一代液氩探伤器的挫折本底之一。

地球大气层（图片源泉：wikipedia）

窘境：什么是“十万亿亿分之一”的寻找？

但是，它在大气中的瞻望丰采仅为10⁻²¹量级，也便是十万亿亿分之一。这是一个什么想法？地球上通盘沙子的数目松懈是10的19次方粒。寻找氩-42至极于从比这多100倍的沙子里去挑选特定的一粒沙，其难度不言而谕。

面临如斯顶点的丰采，传统的微量元素探伤技巧几近失效。加快器质谱法（AMS）是现在最强盛的时刻之一，但在10⁻²¹量级下，AMS际遇了难以率先的瓶颈：同量异位素和相邻同位素的本底烦闷。在极其细微的信号中，仪器很容易把质料附进的其他原子或分子碎屑误觉得是氩-42。现在AMS的贤人度上限约为10的负16次方，距离探伤氩-42还差4–5个数目级。

老例技巧安坐待毙，物理学家们必须别有肺肠。

破局：用“光”织就的原子筛选机

为了在茫茫原子海中揪出氩-42，中国科学时刻大学卢征天、蒋蔚接头团队亮出了他们的绝活——原子阱痕量分析时刻（ATTA，Atom Trap Trace Analysis）。这项时刻的中枢念念想很奥密：咱们不再试图去“称”原子的质料，而是用特定的激光去“招呼”它，让它我方发光现身。

万兆丰博士（右）和博士生梁佳炜（左）在查抄氩同位素原子阱仪器的激光系统

量子力学告诉咱们，每一种原子的能级结构齐是唯独无二的，它们只经受和辐射特定频率（心扉）的光子。接头团队运用这一特点，仔细调谐了激光的频率，使其只与氩-42原子的共振频率匹配。

当来爽脆气、流程处分的氩气样品束流穿过真空管说念时，六束来自不同标的的激光就像是六面无形的墙壁，编织成了一个“磁光阱”。 关于数目重大的氩-40来说，这些激光完全是透明的，博亚体育BoYa中国世界杯授权竞彩网它们毫无回绝地穿透而过。但是，当氩-42原子偶合流程时，情况完全不同： 它会快速地经受当面而来的共振激光光子，然后再向四面八方辐射出荧光光子。每一次经受和辐射，来自激光中光子的动量齐会给它一个微弱的“推力”。在短短几毫秒内，这颗氩-42原子经验了数万次光子散射，它的速率被马上降速（也便是被“冷却”到了接近整个零度），最终被“拿获”在磁光阱的中心。

此时，被困住的氩-42原子就像一颗在暮夜中亮起的微缩灯泡。通过高贤人度的CCD相机，科学家们不错明晰地拍下原子的“大头照”，况兼对原子个数进行计数。用这个措施不错一一数出同位素丰采低至十万亿亿分之一的氩-42原子。 由于惟有指标同位素大要爽脆这种极其严苛的共振条目，ATTA时刻从物理旨趣上澈底摈斥了其他元素和分子的烦闷。

强强联手：大海捞针的第一步

固然ATTA时刻犹如领有极高的遴荐性，但鉴于当然界中氩-42的丰采确实太低，淌若平直把原始氩气样品送入原子阱，瞻望每个月只可拿获约1个氩-42原子，难以爽脆高精度测量的需求。

为此，中国科大团队与中国科学院近代物理接头所的孙良亭团队伸开了邃密无比的合作。近代物理接头所极端研制了一台强流电磁质谱安装。这台安装就像一个“筛子”对样品先进行粗筛，运用电磁场将样品中占比超越99%的氩-40大齐剥离，同期荟萃有数的氩-42和手脚参考的巩固同位素氩-38。流程预富集，氩-42的相对含量提高了约450倍，样品的“含金量”大幅教育，随后再被送入中国科大的原子阱系统中进行最终的单原子探伤。通过两个团队的邃密无比相助，底本极为艰辛的测量任务终于化为了实践室里明晰的单原子荧光信号。最终，团队得手测定了大气中氩-42的丰采水平，联系后果在顶级期刊《Nature Physics》上在线发表。

大气42Ar的测量。来爽脆气的氩气样品先流程同位素预富集，撤退大部分40Ar。富集后的氩样品被送入原子阱系统，进行42Ar同位素的单原子探伤。

结语

从大气中极其微量的放射性同位素，到实践室里用激光操控单个原子，这项接头不仅为未来的大型液氩暗物资探伤器和有数事件搜寻实践提供了要道的本底数据，更将东说念主类对极有数同位素的探伤极限推向了一个全新的高度。

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