科研進展
近代物理研究所與中國科學技術大學合作實現(xiàn)大氣中極稀有同位素氬-42的直接探測
近日，中國科學院近代物理研究所、重離子科學與技術全國重點實驗室孫良亭團隊與中國科學技術大學盧征天、蔣蔚研究團隊合作，成功實現(xiàn)了對大氣樣品中極稀有放射性同位素氬-42（?2Ar）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(xiàn)有方法的探測靈敏度提升了約4–5個數(shù)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 Atmospheric 42Ar at the 10?21 Level by Atom Counting”為題，于4月14日發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
氬-42是一種由宇宙射線與大氣相互作用產生的放射性同位素，半衰期為33年。盡管含量極低，其衰變產物會在液氬探測器中產生本底信號，影響暗物質和雙β衰變實驗的探測靈敏度。長期以來，氬-42的測量主要依賴大型液氬探測器中的衰變計數(shù)方法，但不同實驗之間結果存在較大差異。另一方面，加速器質譜技術受限于質量相近原子及分子的干擾，其探測極限約為10?1?量級，仍無法滿足對大氣中氬-42的直接測量需求。
圖1 ：大氣42Ar的測量。來自大氣的氬氣樣品先經過預富集處理，除去大部分40Ar。富集后的氬樣品被送入原子阱系統(tǒng)，進行42Ar同位素的單原子探測
針對這一挑戰(zhàn)，中國科學技術大學盧征天團隊采用自主發(fā)展的“原子阱痕量分析”（Atom Trap Trace Analysis, ATTA）技術，實現(xiàn)了對氬-42的單原子探測。該方法利用共振激光將目標原子減速、冷卻并俘獲在磁光阱中，通過熒光探測實現(xiàn)單原子的成像與計數(shù)。由于只有目標同位素能夠滿足共振條件，該技術從原理上消除了不同元素及分子的干擾，具有極高的選擇性和靈敏度。
但氬-42在自然界中極低豐度極低，直接探測速率過低，預計每月僅能捕獲約一個原子。為提高測量效率，由中國科學院近代物理研究所自主研制的強流電磁質譜裝置——即氬富集裝置，發(fā)揮了核心作用。 該裝置通過選擇性收集，高效去除占絕大多數(shù)的氬-40同位素，同時將極稀有的氬-42及作為參考的穩(wěn)定同位素氬-38收集。經過預富集處理，氬-42和氬-38的豐度提升700倍以上。富集后的樣品再進入原子阱系統(tǒng)進行單原子探測，大幅提升了有效計數(shù)率。依托這一強流電磁質譜裝置的出色富集能力和長時間穩(wěn)定運行能力，研究團隊在43天內累計觀測到204個氬-42原子，最終測得大氣中氬-42的同位素豐度為（6.1 ± 0.5）× 10?21。
圖2 ：中國科學院近代物理研究所氬預富集裝置
原子阱痕量分析技術近年來已成功應用于極地冰芯與青藏高原冰川定年，以及全球范圍地下水年齡示蹤等研究。近代物理所發(fā)展的基于強流離子源的高精度電磁分離技術，可實現(xiàn)高純度穩(wěn)定同位素分離與富集，在穩(wěn)定同位素提取及應用研究方面有著重要的前景。此次雙方合作將原子阱痕量分析的探測能力成功拓展至更低的同位素豐度范圍。未來，該方法有望應用于更多極稀有同位素的測量，為基礎物理、地球與環(huán)境科學研究提供新的精密工具。
中國科學技術大學物理學院的萬兆豐博士和博士研究生梁佳煒為論文的共同第一作者，中國科學院近代物理研究所低能粒子束技術中心賈澤華工程師為第三作者。該研究工作得到了國家科技重大專項、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省及合肥市的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03257-9。
（低能粒子束技術中心 ???供稿）
