捕捉十萬(wàn)億億分之一的“幽靈”：我們?cè)诖髿庵小皵?shù)”出了極稀有同位素氬-42

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天、蔣蔚研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所孫良亭團(tuán)隊(duì)合作，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣樣品中極稀有放射性同位素氬-42（42Ar）的直接探測(cè)。氬-42在大氣中的同位素豐度極低，僅約為十萬(wàn)億億分之一（10?21）量級(jí)。此次突破將現(xiàn)有方法的探測(cè)靈敏度提升了約4-5個(gè)數(shù)量級(jí)，為超低豐度同位素的精密測(cè)量開(kāi)辟了新路徑，標(biāo)志著單原子靈敏探測(cè)技術(shù)邁上新臺(tái)階。相關(guān)成果以為題，于4月14日發(fā)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(wěn)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——?dú)?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(chǎn)生。雖然氬-42十分的稀少，但是科學(xué)家卻對(duì)它十分關(guān)注。因?yàn)闅?42有望成為研究洋流循環(huán)和地下水的一種新型年齡示蹤劑，同時(shí)還可能是物理學(xué)家用作暗物質(zhì)研究的下一代液氬探測(cè)器的重要本底之一。

▲地球大氣層（圖片來(lái)源：wikipedia）

困境：什么是“十萬(wàn)億億分之一”的尋找？

然而，它在大氣中的預(yù)計(jì)豐度僅為10?21量級(jí)，也就是十萬(wàn)億億分之一。這是一個(gè)什么概念？地球上所有沙子的數(shù)量大約是10的19次方粒。尋找氬-42相當(dāng)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(duì)如此極端的豐度，傳統(tǒng)的微量元素探測(cè)手段幾近失效。加速器質(zhì)譜法（AMS）是目前最強(qiáng)大的技術(shù)之一，但在10-21量級(jí)下，AMS遇到了難以逾越的瓶頸：同量異位素和相鄰?fù)凰氐谋镜赘蓴_。在極其微弱的信號(hào)中，儀器很容易把質(zhì)量相近的其他原子或分子碎片誤認(rèn)為是氬-42。目前AMS的靈敏度上限約為10-16，距離探測(cè)氬-42還差4–5個(gè)數(shù)量級(jí)。

常規(guī)手段束手無(wú)策，物理學(xué)家們必須另辟蹊徑。

破局：用“光”織就的原子篩選機(jī)

為了在茫茫原子海中揪出氬-42，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天、蔣蔚研究團(tuán)隊(duì)亮出了他們的絕活——原子阱痕量分析技術(shù)（ATTA，Atom Trap Trace Analysis）。這項(xiàng)技術(shù)的核心思想很巧妙：我們不再試圖去“稱”原子的質(zhì)量，而是用特定的激光去“呼喚”它，讓它自己發(fā)光現(xiàn)身。

▲萬(wàn)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(tǒng)

量子力學(xué)告訴我們，每一種原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)都是獨(dú)一無(wú)二的，它們只吸收和發(fā)射特定頻率（顏色）的光子。研究團(tuán)隊(duì)利用這一特性，仔細(xì)調(diào)諧了激光的頻率，使其只與氬-42原子的共振頻率匹配。

當(dāng)來(lái)自大氣、經(jīng)過(guò)處理的氬氣樣品束流穿過(guò)真空管道時(shí)，六束來(lái)自不同方向的激光就像是六面無(wú)形的墻壁，編織成了一個(gè)“磁光阱”。 對(duì)于數(shù)量龐大的氬-40來(lái)說(shuō)，這些激光完全是透明的，它們毫無(wú)阻礙地穿透而過(guò)。但是，當(dāng)氬-42原子碰巧經(jīng)過(guò)時(shí)，情況完全不同： 它會(huì)快速地吸收迎面而來(lái)的共振激光光子，然后再向四面八方發(fā)射出熒光光子。每一次吸收和發(fā)射，來(lái)自激光中光子的動(dòng)量都會(huì)給它一個(gè)微小的“推力”。在短短幾毫秒內(nèi)，這顆氬-42原子經(jīng)歷了數(shù)萬(wàn)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(duì)零度），最終被“捕獲”在磁光阱的中心。

此時(shí)，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(guò)高靈敏度的CCD相機(jī)，科學(xué)家們可以清晰地拍下原子的“大頭照”，并且對(duì)原子個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。用這個(gè)方法可以逐個(gè)數(shù)出同位素豐度低至十萬(wàn)億億分之一的氬-42原子。 由于只有目標(biāo)同位素能夠滿足這種極其嚴(yán)苛的共振條件，ATTA技術(shù)從物理原理上徹底消除了其他元素和分子的干擾。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手：大海撈針的第一步

雖然ATTA技術(shù)猶如擁有極高的選擇性，但鑒于自然界中氬-42的豐度實(shí)在太低，如果直接把原始?xì)鍤鈽悠匪腿朐于?，預(yù)計(jì)每個(gè)月只能捕獲約1個(gè)氬-42原子，難以滿足高精度測(cè)量的需求。

為此，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的孫良亭團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了緊密的合作。近代物理研究所專門研制了一臺(tái)強(qiáng)流電磁質(zhì)譜裝置。這臺(tái)裝置就像一個(gè)“篩子”對(duì)樣品先進(jìn)行粗篩，利用電磁場(chǎng)將樣品中占比超過(guò)99%的氬-40大量剝離，同時(shí)收集稀有的氬-42和作為參考的穩(wěn)定同位素氬-38。經(jīng)過(guò)預(yù)富集，氬-42的相對(duì)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(guó)科大的原子阱系統(tǒng)中進(jìn)行最終的單原子探測(cè)。通過(guò)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的緊密協(xié)作，原本極為困難的測(cè)量任務(wù)終于化為了實(shí)驗(yàn)室里清晰的單原子熒光信號(hào)。最終，團(tuán)隊(duì)成功測(cè)定了大氣中氬-42的豐度水平，相關(guān)成果在頂級(jí)期刊《Nature Physics》上在線發(fā)表。

▲大氣42Ar的測(cè)量。來(lái)自大氣的氬氣樣品先經(jīng)過(guò)同位素預(yù)富集，除去大部分40Ar。富集后的氬樣品被送入原子阱系統(tǒng)，進(jìn)行42Ar同位素的單原子探測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

從大氣中極其微量的放射性同位素，到實(shí)驗(yàn)室里用激光操控單個(gè)原子，這項(xiàng)研究不僅為未來(lái)的大型液氬暗物質(zhì)探測(cè)器和稀有事件搜尋實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的本底數(shù)據(jù)，更將人類對(duì)極稀有同位素的探測(cè)極限推向了一個(gè)全新的高度。

審校：蔣蔚

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03257-9