我院卢征天教授、微尺度物质科学国家研究中心夏添博士与同事合作，利用原子阱痕量分析方法实现了对极稀有同位素钙-41的单原子灵敏检测，将该同位素丰度的检测极限压低至10-17（十亿亿分之一）量级，并演示了对骨头、岩石、海水等典型样品的钙-41同位素分析。此项工作解决了地质、生物样品中钙-41同位素的探测难题，使得钙-41有望作为示踪定年同位素被应用于地球科学和考古学等领域。相关成果以“Atom-trap trace analysis of41Ca/Ca down to the 10-17level”为题于3月2日在线发表在《自然- 物理》期刊上 [Nature Physics]。
图1.钙-41同位素由宇宙射线诱导产生，有望应用于冰川与古生物等自然界样品的定年研究
自然界岩石和生物骨质普遍含有丰富的钙元素，其同位素组成以稳定同位素钙-40为主，同时包含极其少量的放射性同位素钙-41。钙-41的半衰期为10万年，是碳-14半衰期的17倍，因此钙-41可以覆盖比碳-14更古老的定年范围。地球上的钙-41主要由地表浅层（几米深度）内的钙-40捕获宇宙射线中子而产生，其同位素丰度仅为10-16- 10-15量级，远远低于常用质谱仪所能达到的探测极限。在过去的半个世纪里，全球十多家单位用加速器质谱方法对钙-41的探测难题进行了持续攻关，但受限于来自质量相近的钾-41的干扰，只能对自然界中丰度偏高（10-15）的样品做测量，结果阻碍了其实际应用。
图2.用于探测钙-41单原子的原子阱装置
在本项工作中，研究人员首先用化学方法从岩石、骨头、海水样品中提取出约80毫克的金属钙，装入原子炉加热产生原子束流。再利用基于冷原子物理的冷却、聚焦、减速、磁光阱等各种激光操控方法将钙-41原子一个一个地从束流中俘获。通过测量被俘原子放出的荧光实现对单个钙-41原子的计数。本项工作利用原子阱的超高选择性排除了其它同位素、元素及分子的干扰，在10-16同位素丰度水平实现了定量分析，测量精度达12%，并将探测极限压至10-17量级。接下来研究人员计划与国内外科学家开展广泛合作，共同探索钙-41定年在地球科学与考古学领域的应用。
图3.博士研究生孙伟伟在调试用于操控、俘获原子的激光系统
微尺度物质科学国家研究中心博士生夏彤岩和物理学院博士生孙伟伟为论文的共同第一作者，夏添和卢征天为共同通讯作者，合作研究人员包括中国科大物理学院蒋蔚教授、地空学院黄方教授，以及中科院地球环境研究所付云翀研究员。该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-01969-w（物理学院，中科院量子信息与量子科技创新研究院，科研部）