中國科學家近日將一種極稀有、放射性同位素單原子靈敏檢測極限壓低至十億億分之一量級。相關成果3月2日在線發表于《自然-物理》(Nature Physics)。

據悉，中國科學技術大學盧征天教授、夏添博士與同事合作，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的負17次方(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。

此項工作解決了地質、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。

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，同時包含極其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的負16次方至10的負次方15量級，遠遠低于常用質譜儀所能達到的探測極限。

在過去的半個世紀里，全球十多家單位用加速器質譜方法對鈣-41的探測難題進行了持續攻關，但受限于來自質量相近的鉀-41的干擾，只能對自然界中豐度偏高的樣品做測量，結果阻礙了其實際應用。

在此次工作中，研究人員首先用化學方法從巖石、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。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。

研究人員利用原子阱的超高選擇性排除了其它同位素、元素及分子的干擾，在10的負16次方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的負17次方量級。

下一步，研究人員計劃與國內外科學家開展廣泛合作，共同探索鈣-41定年在地球科學與考古學領域的應用。