稀有同位素氪发现为古地下水研究带来新机遇

2021-08-13 08:56:00

中国科学技术大学教授卢征天和其同事Florian Ritterbusch等,运用全光激发实现了对极其稀有同位素氪—81的单原子探测。这一量子精密测量方法的突破将助力地球与环境科学研究。相关成果日前发表于《物理评论快报》。

氪是一种微量的惰性气体,它在空气中的含量为百万分之一。氪由多种同位素组成,其中一种半衰期为23万年的放射性同位素氪—81,在空气中的含量仅为百亿亿分之一。自从20世纪60年代人类在空气中发现氪—81以来,科研人员一直梦想着用氪—81这个天然示踪剂帮助了解环境中的水、冰循环过程,为古地下水与冰川定年。

卢征天发明了一种称为“原子阱痕量分析”的单原子灵敏检测方法,可以逐个数出环境样品中所含的氪—81原子。用原子阱捕获氪—81需要首先将原子激发到一个亚稳量子态上。目前,国际上均采用气体放电方法来制备亚稳态氪原子,方法简单可行,然而存在着激发效率低、样品损失和交叉污染等问题。

在该工作中,卢征天团队研制出一种高亮度共振真空紫外灯,并将其应用于全光激发氪原子,从而避免了气体放电所带来的种种问题。团队提出一种新的机理来解释真空紫外光子在氪气中传播时的“自吸收”现象——光子在氪气中多次散射后并未损失,而是频率发生了偏移。经过4年不断尝试,他们在保持光源高亮度特征的同时,减小了光频偏移,建成了基于全光激发的氪原子阱,并达到每小时1800个氪—81原子的探测速率。

该原子阱超灵敏分析工具,为古地下水研究和寻找百万年前形成的冰芯等科学问题带来了新机遇。

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