中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)現(xiàn)了對(duì)極稀有同位素鈣-41的單原子靈敏檢測(cè)，將該同位素豐度的檢測(cè)極限壓低至10^-17（十億億分之一）量級(jí)，并演示了對(duì)骨頭、巖石、海水等典型樣品的鈣-41同位素分析。此項(xiàng)工作解決了地質(zhì)、生物樣品中鈣-41同位素的探測(cè)難題，使得鈣-41有望作為示蹤定年同位素被應(yīng)用于地球科學(xué)和考古學(xué)等領(lǐng)域。相關(guān)成果以“Atom-trap trace analysis of⁴¹Ca/Ca down to the 10^-17level”為題于3月2日在線發(fā)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(dǎo)產(chǎn)生，有望應(yīng)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(zhì)普遍含有豐富的鈣元素，其同位素組成以穩(wěn)定同位素鈣-40為主，同時(shí)包含極其少量的放射性同位素鈣-41。鈣-41的半衰期為10萬(wàn)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(nèi)的鈣-40捕獲宇宙射線中子而產(chǎn)生，其同位素豐度僅為10^-16- 10^-15量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用質(zhì)譜儀所能達(dá)到的探測(cè)極限。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，全球十多家單位用加速器質(zhì)譜方法對(duì)鈣-41的探測(cè)難題進(jìn)行了持續(xù)攻關(guān)，但受限于來(lái)自質(zhì)量相近的鉀-41的干擾，只能對(duì)自然界中豐度偏高（10^-15）的樣品做測(cè)量，結(jié)果阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

圖2.用于探測(cè)鈣-41單原子的原子阱裝置

在本項(xiàng)工作中，研究人員首先用化學(xué)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(chǎn)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(gè)一個(gè)地從束流中俘獲。通過(guò)測(cè)量被俘原子放出的熒光實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)鈣-41原子的計(jì)數(shù)。本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了定量分析，測(cè)量精度達(dá)12%，并將探測(cè)極限壓至10^-17量級(jí)。接下來(lái)研究人員計(jì)劃與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開展廣泛合作，共同探索鈣-41定年在地球科學(xué)與考古學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3.博士研究生孫偉偉在調(diào)試用于操控、俘獲原子的激光系統(tǒng)

微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博士生夏彤巖和物理學(xué)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(guó)科大物理學(xué)院蔣蔚教授、地空學(xué)院黃方教授，以及中科院地球環(huán)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(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

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

（物理學(xué)院，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，科研部）