【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授盧征天、博士夏添等，利用原子阱痕量分析方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jí)，并演示了對(duì)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(zhì)、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(yīng)用于地球科學(xué)和考古學(xué)等領(lǐng)域。3月2日，相關(guān)研究成果以Atom-trap trace analysis of41Ca/Ca down to the 10-17level為題，在線發(fā)表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
自然界巖石和生物骨質(zhì)普遍含有豐富的鈣元素，其同位素組成以穩(wěn)定同位素鈣-40為主，同時(shí)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(nèi)的鈣-40捕獲宇宙射線中子而產(chǎn)生，其同位素豐度僅為10-16- 10-15量級(jí)，低于常用質(zhì)譜儀所達(dá)到的探測極限。過去的半個(gè)世紀(jì)里，全球多家單位運(yùn)用加速器質(zhì)譜方法對(duì)鈣-41的探測難題進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)，但受限于質(zhì)量相近的鉀-41的干擾，只能對(duì)自然界中豐度偏高(10-15)的樣品做測量，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。
本研究采用化學(xué)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(chǎn)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(gè)一個(gè)地從束流中俘獲。研究通過測量被俘原子放出的熒光實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)鈣-41原子的計(jì)數(shù)。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(shí)現(xiàn)了定量分析，測量精度達(dá)12%，并將探測極限壓至10-17量級(jí)。進(jìn)一步，科研人員計(jì)劃與國內(nèi)外科學(xué)家合作，共同探索鈣-41定年在地球科學(xué)與考古學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中科院和安徽省的支持。中科院地球環(huán)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(dǎo)產(chǎn)生，有望應(yīng)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(diào)試用于操控、俘獲原子的激光系統(tǒng)
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