中國科學技術大學教授盧征天、博士夏添等，利用原子阱痕量分析方法實現了對極稀有同位素鈣-41的單原子靈敏檢測，將該同位素豐度的檢測極限壓低至10-17(十億億分之一)量級，并演示了對骨頭、巖石、海水等典型樣品的鈣-41同位素分析。該工作解決了地質、生物樣品中鈣-41同位素的探測難題，使得鈣-41有望作為示蹤定年同位素被應用于地球科學和考古學等領域。3月2日，相關研究成果以Atom-trap trace analysis of41Ca/Ca down to the 10-17level為題，在線發表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
 

　　自然界巖石和生物骨質普遍含有豐富的鈣元素，其同位素組成以穩定同位素鈣-40為主，同時包含少量的放射性同位素鈣-41。鈣-41的半衰期為10萬年，是碳-14半衰期的17倍，因此鈣-41可以覆蓋比碳-14更古老的定年范圍。地球上的鈣-41主要由地表淺層(幾米深度)內的鈣-40捕獲宇宙射線中子而產生，其同位素豐度僅為10-16- 10-15量級，低于常用質譜儀所達到的探測極限。過去的半個世紀里，全球多家單位運用加速器質譜方法對鈣-41的探測難題進行持續攻關，但受限于質量相近的鉀-41的干擾，只能對自然界中豐度偏高(10-15)的樣品做測量，阻礙了其實際應用。
 

　　本研究采用化學方法在巖石、骨頭、海水樣品中提取出約80毫克的金屬鈣，裝入原子爐加熱產生原子束流，再利用基于冷原子物理的冷卻、聚焦、減速、磁光阱等各種激光操控方法將鈣-41原子一個一個地從束流中俘獲。研究通過測量被俘原子放出的熒光實現對單個鈣-41原子的計數。本工作利用原子阱的超高選擇性排除了其他同位素、元素及分子的干擾，在10-16同位素豐度水平實現了定量分析，測量精度達12%，并將探測極限壓至10-17量級。進一步，科研人員計劃與國內外科學家合作，共同探索鈣-41定年在地球科學與考古學領域的應用。
 

　　研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院和安徽省的支持。中科院地球環境研究所科研人員參與研究。
 

　　圖1.鈣-41同位素由宇宙射線誘導產生，有望應用于冰川與古生物等自然界樣品的定年研究

 

圖2.用于探測鈣-41單原子的原子阱裝置
 

圖3.科研人員調試用于操控、俘獲原子的激光系統