量子|我科学家实现氪-81的单原子探测

采访人员从中国科学技术大学获悉，该校教授卢征天及其同事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于地球与环境科学研究，相关成果近日发表在《物理评论快报》上。
我们身边有一种微量的惰性气体叫氪，它在空气中的含量为百万分之一。氪由多种同位素组成，包括一种半衰期为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（10-18）。自从20世纪60年代在空气中发现氪-81以来，科研人员一直梦想着用氪-81这个天然示踪剂来帮助了解环境中的水、冰循环过程，给百万年老的古地下水与冰川定年。卢征天教授发明了一种称为“原子阱痕量分析”的单原子灵敏检测方法，可以一个一个地数出环境样品中所含的氪-81原子。
【量子|我科学家实现氪-81的单原子探测】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。科研人员研制成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。研究人员提出了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，而是其频率发生了偏移。经过四年的不断尝试，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，并达到了每小时1800个氪-81原子的探测速率。对于古地下水研究和寻找百万年前形成的冰芯等科学问题，这种原子阱超灵敏分析工具带来了新的研究机遇。采访人员吴长锋