近日，中国科学院近代物理研究所、重离子科学与技术全国重点实验室孙良亭团队与中国科学技术大学卢征天、蒋蔚研究团队合作，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。
氩-42是一种由宇宙射线与大气相互作用产生的放射性同位素，半衰期为33年。尽管含量极低，其衰变产物会在液氩探测器中产生本底信号，影响暗物质和双β衰变实验的探测灵敏度。长期以来，氩-42的测量主要依赖大型液氩探测器中的衰变计数方法，但不同实验之间结果存在较大差异。另一方面，加速器质谱技术受限于质量相近原子及分子的干扰，其探测极限约为10⁻¹⁶量级，仍无法满足对大气中氩-42的直接测量需求。
图1 ：大气42Ar的测量。来自大气的氩气样品先经过预富集处理，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
针对这一挑战，中国科学技术大学卢征天团队采用自主发展的“原子阱痕量分析”(Atom Trap Trace Analysis, ATTA)技术，实现了对氩-42的单原子探测。该方法利用共振激光将目标原子减速、冷却并俘获在磁光阱中，通过荧光探测实现单原子的成像与计数。由于只有目标同位素能够满足共振条件，该技术从原理上消除了不同元素及分子的干扰，具有极高的选择性和灵敏度。
但氩-42在自然界中极低丰度极低，直接探测速率过低，预计每月仅能捕获约一个原子。为提高测量效率，由中国科学院近代物理研究所自主研制的强流电磁质谱装置——即氩富集装置，发挥了核心作用。 该装置通过选择性收集，高效去除占绝大多数的氩-40同位素，同时将极稀有的氩-42及作为参考的稳定同位素氩-38收集。经过预富集处理，氩-42和氩-38的丰度提升700倍以上。富集后的样品再进入原子阱系统进行单原子探测，大幅提升了有效计数率。依托这一强流电磁质谱装置的出色富集能力和长时间稳定运行能力，研究团队在43天内累计观测到204个氩-42原子，最终测得大气中氩-42的同位素丰度为(6.1 ± 0.5)× 10⁻²¹。
图2 ：中国科学院近代物理研究所氩预富集装置
原子阱痕量分析技术近年来已成功应用于极地冰芯与青藏高原冰川定年，以及全球范围地下水年龄示踪等研究。近代物理所发展的基于强流离子源的高精度电磁分离技术，可实现高纯度稳定同位素分离与富集，在稳定同位素提取及应用研究方面有着重要的前景。此次双方合作将原子阱痕量分析的探测能力成功拓展至更低的同位素丰度范围。未来，该方法有望应用于更多极稀有同位素的测量，为基础物理、地球与环境科学研究提供新的精密工具。
中国科学技术大学物理学院的万兆丰博士和博士研究生梁佳炜为论文的共同第一作者，中国科学院近代物理研究所低能粒子束技术中心贾泽华工程师为第三作者。该研究工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省及合肥市的资助。
