我們在大氣中“數”出了極稀有同位素氬-42

近日，中國科學技術大學盧征天、蔣蔚研究團隊與中國科學院近代物理研究所孫良亭團隊合作，成功實現了對大氣樣品中極稀有放射性同位素氬-42（42Ar）的直接探測。氬-42在大氣中的同位素豐度極低，僅約為十萬億億分之一（10?21）量級。此次突破將現有方法的探測靈敏度提升了約4-5個數量級，為超低豐度同位素的精密測量開辟了新路徑，標志著單原子靈敏探測技術邁上新臺階。相關成果以“Detection of Atmospheric42Ar at the 10?21Level by Atom Counting”為題，于4月14日發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。

引言：大氣中的稀有蹤跡

氬氣是地球大氣的重要組分，除了我們熟知的穩定同位素氬-40之外，大氣中還存在著極少量的放射性同位素——氬-42（42Ar）。它的半衰期約為33年，主要由宇宙射線與上層大氣中的氬-40相互作用產生。雖然氬-42十分的稀少，但是科學家卻對它十分關注。因為氬-42有望成為研究洋流循環和地下水的一種新型年齡示蹤劑，同時還可能是物理學家用作暗物質研究的下一代液氬探測器的重要本底之一。

地球大氣層（圖片來源：wikipedia）

困境：什么是“十萬億億分之一”的尋找？

然而，它在大氣中的預計豐度僅為10?21量級，也就是十萬億億分之一。這是一個什么概念？地球上所有沙子的數量大約是10的19次方粒。尋找氬-42相當于從比這多100倍的沙子里去挑選特定的一粒沙，其難度可想而知。

面對如此極端的豐度，傳統的微量元素探測手段幾近失效。加速器質譜法（AMS）是目前最強大的技術之一，但在10?21量級下，AMS遇到了難以逾越的瓶頸：同量異位素和相鄰同位素的本底干擾。在極其微弱的信號中，儀器很容易把質量相近的其他原子或分子碎片誤認為是氬-42。目前AMS的靈敏度上限約為10負16次方，距離探測氬-42還差4–5個數量級。

常規手段束手無策，物理學家們必須另辟蹊徑。

破局：用“光”織就的原子篩選機

為了在茫茫原子海中揪出氬-42，中國科學技術大學盧征天、蔣蔚研究團隊亮出了他們的絕活——原子阱痕量分析技術（ATTA，Atom Trap Trace Analysis）。這項技術的核心思想很巧妙：我們不再試圖去“稱”原子的質量，而是用特定的激光去“呼喚”它，讓它自己發光現身。

萬兆豐博士（右）和博士生梁佳煒（左）在檢查氬同位素原子阱儀器的激光系統

量子力學告訴我們，每一種原子的能級結構都是獨一無二的，它們只吸收和發射特定頻率（顏色）的光子。研究團隊利用這一特性，仔細調諧了激光的頻率，使其只與氬-42原子的共振頻率匹配。

當來自大氣、經過處理的氬氣樣品束流穿過真空管道時，六束來自不同方向的激光就像是六面無形的墻壁，編織成了一個“磁光阱”。 對于數量龐大的氬-40來說，這些激光完全是透明的，它們毫無阻礙地穿透而過。但是，當氬-42原子碰巧經過時，情況完全不同： 它會快速地吸收迎面而來的共振激光光子，然后再向四面八方發射出熒光光子。每一次吸收和發射，來自激光中光子的動量都會給它一個微小的“推力”。在短短幾毫秒內，這顆氬-42原子經歷了數萬次光子散射，它的速度被迅速減慢（也就是被“冷卻”到了接近絕對零度），最終被“捕獲”在磁光阱的中心。

此時，被困住的氬-42原子就像一顆在黑夜中亮起的微縮燈泡。通過高靈敏度的CCD相機，科學家們可以清晰地拍下原子的“大頭照”，并且對原子個數進行計數。用這個方法可以逐個數出同位素豐度低至十萬億億分之一的氬-42原子。 由于只有目標同位素能夠滿足這種極其嚴苛的共振條件，ATTA技術從物理原理上徹底消除了其他元素和分子的干擾。

強強聯手：大海撈針的第一步

雖然ATTA技術猶如擁有極高的選擇性，但鑒于自然界中氬-42的豐度實在太低，如果直接把原始氬氣樣品送入原子阱，預計每個月只能捕獲約1個氬-42原子，難以滿足高精度測量的需求。

為此，中國科大團隊與中國科學院近代物理研究所的孫良亭團隊展開了緊密的合作。近代物理研究所專門研制了一臺強流電磁質譜裝置。這臺裝置就像一個“篩子”對樣品先進行粗篩，利用電磁場將樣品中占比超過99%的氬-40大量剝離，同時收集稀有的氬-42和作為參考的穩定同位素氬-38。經過預富集，氬-42的相對含量提高了約450倍，樣品的“含金量”大幅提升，隨后再被送入中國科大的原子阱系統中進行最終的單原子探測。通過兩個團隊的緊密協作，原本極為困難的測量任務終于化為了實驗室里清晰的單原子熒光信號。最終，團隊成功測定了大氣中氬-42的豐度水平，相關成果在頂級期刊《Nature Physics》上在線發表。

大氣42Ar的測量。來自大氣的氬氣樣品先經過同位素預富集，除去大部分40Ar。富集后的氬樣品被送入原子阱系統，進行42Ar同位素的單原子探測。

結語

從大氣中極其微量的放射性同位素，到實驗室里用激光操控單個原子，這項研究不僅為未來的大型液氬暗物質探測器和稀有事件搜尋實驗提供了關鍵的本底數據，更將人類對極稀有同位素的探測極限推向了一個全新的高度。

來源：墨子沙龍微信公眾號

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