記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校教授盧征天及其同事運用全光激發(fā)實現(xiàn)了對極其稀有同位素氪-81的單原子探測，這一量子精密測量方法的突破將助力于地球與環(huán)境科學研究，相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理評論快報》上。

我們身邊有一種微量的惰性氣體叫氪，它在空氣中的含量為百萬分之一。氪由多種同位素組成，包括一種半衰期為23萬年的放射性同位素氪-81，在空氣中的含量僅為百億億分之一(10-18)。自從20世紀60年代在空氣中發(fā)現(xiàn)氪-81以來，科研人員一直夢想著用氪-81這個天然示蹤劑來幫助了解環(huán)境中的水、冰循環(huán)過程，給百萬年老的古地下水與冰川定年。盧征天教授發(fā)明了一種稱為“原子阱痕量分析”的單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數(shù)出環(huán)境樣品中所含的氪-81原子。

用原子阱捕獲氪-81需要首先將原子激發(fā)到一個亞穩(wěn)量子態(tài)上。目前國際上均采用氣體放電方法來制備亞穩(wěn)態(tài)氪原子，方法簡單可行，然而存在著激發(fā)效率低、樣品損失和交叉污染等問題。科研人員研制成一種高亮度共振真空紫外燈，并將其應用于全光激發(fā)氪原子，從而避免了氣體放電所帶來的種種問題。研究人員提出了一種新的機理來解釋真空紫外光子在氪氣中傳播時的“自吸收”現(xiàn)象——光子在氪氣中多次散射后并未損失，而是其頻率發(fā)生了偏移。經(jīng)過四年的不斷嘗試，他們在保持光源高亮度特征的同時，減小了光頻偏移，建成了基于全光激發(fā)的氪原子阱，并達到了每小時1800個氪-81原子的探測速率。對于古地下水研究和尋找百萬年前形成的冰芯等科學問題，這種原子阱超靈敏分析工具帶來了新的研究機遇。