近日，中国科学技术大学卢征天、蒋蔚研究团队与中国科学院近代物理研究所孙良亭团队合作，成功实现了对大气样品中极稀有放射性同位素氩-42（42Ar）的直接探测。氩-42在大气中的同位素丰度极低，仅约为十万亿亿分之一（10⁻²¹）量级。此次突破将现有方法的探测灵敏度提升了约4-5个数量级，为超低丰度同位素的精密测量开辟了新路径，标志着单原子灵敏探测技术迈上新台阶。相关成果以“Detection of Atmospheric 42Ar at the 10⁻²¹ Level by Atom Counting”为题，于4月14日发表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
引言：大气中的稀有踪迹
氩气是地球大气的重要组分，除了我们熟知的稳定同位素氩-40之外，大气中还存在着极少量的放射性同位素——氩-42（42Ar）。它的半衰期约为33年，主要由宇宙射线与上层大气中的氩-40相互作用产生。虽然氩-42十分的稀少，但是科学家却对它十分关注。因为氩-42有望成为研究洋流循环和地下水的一种新型年龄示踪剂，同时还可能是物理学家用作暗物质研究的下一代液氩探测器的重要本底之一。
地球大气层（图片来源：wikipedia）
困境：什么是“十万亿亿分之一”的寻找？
然而，它在大气中的预计丰度仅为10⁻²¹量级，也就是十万亿亿分之一。这是一个什么概念？地球上所有沙子的数量大约是10的19次方粒。寻找氩-42相当于从比这多100倍的沙子里去挑选特定的一粒沙，其难度可想而知。
面对如此极端的丰度，传统的微量元素探测手段几近失效。加速器质谱法（AMS）是目前最强大的技术之一，但在10⁻²¹量级下，AMS遇到了难以逾越的瓶颈：同量异位素和相邻同位素的本底干扰。在极其微弱的信号中，仪器很容易把质量相近的其他原子或分子碎片误认为是氩-42。目前AMS的灵敏度上限约为10的负16次方，距离探测氩-42还差4–5个数量级。
常规手段束手无策，物理学家们必须另辟蹊径。
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，中国科学技术大学卢征天、蒋蔚研究团队亮出了他们的绝活——原子阱痕量分析技术（ATTA，Atom Trap Trace Analysis）。这项技术的核心思想很巧妙：我们不再试图去“称”原子的质量，而是用特定的激光去“呼唤”它，让它自己发光现身。
万兆丰博士（右）和博士生梁佳炜（左）在检查氩同位素原子阱仪器的激光系统
量子力学告诉我们，每一种原子的能级结构都是独一无二的，它们只吸收和发射特定频率（颜色）的光子。研究团队利用这一特性，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。
当来自大气、经过处理的氩气样品束流穿过真空管道时，六束来自不同方向的激光就像是六面无形的墙壁，编织成了一个“磁光阱”。 对于数量庞大的氩-40来说，这些激光完全是透明的，它们毫无阻碍地穿透而过。但是，当氩-42原子碰巧经过时，情况完全不同： 它会快速地吸收迎面而来的共振激光光子，然后再向四面八方发射出荧光光子。每一次吸收和发射，来自激光中光子的动量都会给它一个微小的“推力”。在短短几毫秒内，这颗氩-42原子经历了数万次光子散射，它的速度被迅速减慢（也就是被“冷却”到了接近绝对零度），最终被“捕获”在磁光阱的中心。
此时，被困住的氩-42原子就像一颗在黑夜中亮起的微缩灯泡。通过高灵敏度的CCD相机，科学家们可以清晰地拍下原子的“大头照”，并且对原子个数进行计数。用这个方法可以逐个数出同位素丰度低至十万亿亿分之一的氩-42原子。 由于只有目标同位素能够满足这种极其严苛的共振条件，ATTA技术从物理原理上彻底消除了其他元素和分子的干扰。
强强联手：大海捞针的第一步
虽然ATTA技术犹如拥有极高的选择性，但鉴于自然界中氩-42的丰度实在太低，如果直接把原始氩气样品送入原子阱，预计每个月只能捕获约1个氩-42原子，难以满足高精度测量的需求。
为此，中国科大团队与中国科学院近代物理研究所的孙良亭团队展开了紧密的合作。近代物理研究所专门研制了一台强流电磁质谱装置。这台装置就像一个“筛子”对样品先进行粗筛，利用电磁场将样品中占比超过99%的氩-40大量剥离，同时收集稀有的氩-42和作为参考的稳定同位素氩-38。经过预富集，氩-42的相对含量提高了约450倍，样品的“含金量”大幅提升，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测。通过两个团队的紧密协作，原本极为困难的测量任务终于化为了实验室里清晰的单原子荧光信号。最终，团队成功测定了大气中氩-42的丰度水平，相关成果在顶级期刊《Nature Physics》上在线发表。
大气42Ar的测量。来自大气的氩气样品先经过同位素预富集，除去大部分40Ar。富集后的氩样品被送入原子阱系统，进行42Ar同位素的单原子探测。
结语
从大气中极其微量的放射性同位素，到实验室里用激光操控单个原子，这项研究不仅为未来的大型液氩暗物质探测器和稀有事件搜寻实验提供了关键的本底数据，更将人类对极稀有同位素的探测极限推向了一个全新的高度。
来源：墨子沙龙
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