我科學家實現氪-81的單原子探測

科技日報訊 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校教授盧徵天及其同事運用全光激發實現了對極其稀有同位素氪-81的單原子探測，這一量子精密測量方法的突破將助力於地球與環境科學研究，相關成果近日發表在《物理評論快報》上。

我們身邊有一種微量的惰性氣體叫氪，它在空氣中的含量為百萬分之一。氪由多種同位素組成，包括一種半衰期為23萬年的放射性同位素氪-81，在空氣中的含量僅為百億億分之一（10-18）。自從20世紀60年代在空氣中發現氪-81以來，科研人員一直夢想着用氪-81這個天然示蹤劑來幫助瞭解環境中的水、冰循環過程，給百萬年老的古地下水與冰川定年。盧徵天教授發明了一種稱為“原子阱痕量分析”的單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數出環境樣品中所含的氪-81原子。

用原子阱捕獲氪-81需要首先將原子激發到一個亞穩量子態上。目前國際上均採用氣體放電方法來製備亞穩態氪原子，方法簡單可行，然而存在着激發效率低、樣品損失和交叉污染等問題。科研人員研製成一種高亮度共振真空紫外燈，並將其應用於全光激發氪原子，從而避免了氣體放電所帶來的種種問題。研究人員提出了一種新的機理來解釋真空紫外光子在氪氣中傳播時的“自吸收”現象——光子在氪氣中多次散射後並未損失，而是其頻率發生了偏移。經過四年的不斷嘗試，他們在保持光源高亮度特徵的同時，減小了光頻偏移，建成了基於全光激發的氪原子阱，並達到了每小時1800個氪-81原子的探測速率。對於古地下水研究和尋找百萬年前形成的冰芯等科學問題，這種原子阱超靈敏分析工具帶來了新的研究機遇。