中國科學技術大學盧征天教授、夏添博士與同事合作，利用原子阱痕量分析方法實現了對極稀有同位素鈣-41的單原子靈敏檢測，將該同位素豐度的檢測極限壓低至10^-17（十億億分之一）量級，并演示了對骨頭、巖石、海水等典型樣品的鈣-41同位素分析。此項工作解決了地質、生物樣品中鈣-41同位素的探測難題，使得鈣-41有望作為示蹤定年同位素被應用于地球科學和考古學等領域。相關成果以“Atom-trap trace analysis of⁴¹Ca/Ca down to the 10^-17level”為題于3月2日在線發表在《自然- 物理》期刊上 [Nature Physics]。

圖1.鈣-41同位素由宇宙射線誘導產生，有望應用于冰川與古生物等自然界樣品的定年研究

自然界巖石和生物骨質普遍含有豐富的鈣元素，其同位素組成以穩定同位素鈣-40為主，同時包含極其少量的放射性同位素鈣-41。鈣-41的半衰期為10萬年，是碳-14半衰期的17倍，因此鈣-41可以覆蓋比碳-14更古老的定年范圍。地球上的鈣-41主要由地表淺層（幾米深度）內的鈣-40捕獲宇宙射線中子而產生，其同位素豐度僅為10^-16- 10^-15量級，遠遠低于常用質譜儀所能達到的探測極限。在過去的半個世紀里，全球十多家單位用加速器質譜方法對鈣-41的探測難題進行了持續攻關，但受限于來自質量相近的鉀-41的干擾，只能對自然界中豐度偏高（10^-15）的樣品做測量，結果阻礙了其實際應用。

圖2.用于探測鈣-41單原子的原子阱裝置

在本項工作中，研究人員首先用化學方法從巖石、骨頭、海水樣品中提取出約80毫克的金屬鈣，裝入原子爐加熱產生原子束流。再利用基于冷原子物理的冷卻、聚焦、減速、磁光阱等各種激光操控方法將鈣-41原子一個一個地從束流中俘獲。通過測量被俘原子放出的熒光實現對單個鈣-41原子的計數。本項工作利用原子阱的超高選擇性排除了其它同位素、元素及分子的干擾，在10^-16同位素豐度水平實現了定量分析，測量精度達12%，并將探測極限壓至10^-17量級。接下來研究人員計劃與國內外科學家開展廣泛合作，共同探索鈣-41定年在地球科學與考古學領域的應用。

圖3.博士研究生孫偉偉在調試用于操控、俘獲原子的激光系統

微尺度物質科學國家研究中心博士生夏彤巖和物理學院博士生孫偉偉為論文的共同第一作者，夏添和盧征天為共同通訊作者，合作研究人員包括中國科大物理學院蔣蔚教授、地空學院黃方教授，以及中科院地球環境研究所付云翀研究員。該研究工作得到了科技部、自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-01969-w

（物理學院，中科院量子信息與量子科技創新研究院，科研部）