AI视频丨“原子捕手”配上“电磁筛子”,让极稀有原子无处遁形

▲科学家实现大气中极稀有同位素氩-42的直接探测（视频由AI生成）

在地球大气中，藏着一种同位素占比仅十万亿亿分之一（10^-21量级）的稀有原子——氩-42（⁴²Ar）。在搜寻暗物质、探索中微子本质的液氩探测器中，氩-42衰变产生的虚假信号是一个挥之不去的“背景噪音”。科学家只能靠一粒一粒数原子的方式来精确测定同位素占比。这难度好比大海捞针。

近日，中国科学技术大学与中国科学院近代物理研究所的研究人员成功实现了对大气中极稀有氩-42的直接探测，灵敏度比原有方法提升了约4–5个数量级。

中国科大团队开发的“原子阱痕量分析”（ATTA）技术，像一个用激光编织而成的“原子陷阱”，先把氩原子束射出，再用特定波长的激光迎面照射，目标原子就像被一只无形的手不断“刹车”，直至慢到被激光和磁场共同构成的磁光阱俘获。

被抓住的原子会发出荧光，如同在黑暗中亮起的小灯，科学家就可以一颗一颗地拍照、计数。

这项技术的精妙之处在于，只有氩-42能与当前激光频率严格“共振”，其他同位素或杂质分子因为频率对不上就“溜走了”，从原理上杜绝了认错对象的可能。

然而，大自然中氩-42过于稀有，如果直接去数，一个月才能“捉”到一个原子，测量效率实在太低，不满足实际需求。

▲大气氩-42的测量

为了让ATTA技术“大展拳脚”，近代物理所团队拿出了自主研发的强流电磁质谱装置，也就是氩富集装置。

它像一个能根据质量精确分拣的“电磁筛子”，可以先将大气中丰度占绝大多数的氩-40（⁴⁰Ar）高效剔除，同时把极稀有的氩-42和充当“标尺”的稳定同位素氩-38（³⁸Ar）一并收集起来。

经过这一道预富集处理，氩-42和氩-38的同位素占比被一举提升了450多倍。这相当于先将广袤海域里的目标浓缩到一个小池塘中，再交给原子阱去仔细“摸排”。不仅如此，这台装置还能长时间稳定运行，保证源源不断地为后续探测提供浓缩后的“精华”样品。

▲中国科学院近代物理研究所氩预富集装置

一方负责极致的浓缩，一方负责单原子的精确认读，两把好手合在一起，局面立刻改观。

富集后的氩气样品送入原子阱系统，氩-42原子一个个被激光捉住、发光成像。

研究团队连续观测了43天，累计捕获并辨认出整整204个氩-42原子。据此，团队得到了大气中氩-42的同位素丰度为 (6.1±0.5)×10^-21的结果。

此次“强强联合”，把单原子灵敏探测的版图成功拓展到了超低丰度的新领域，让曾经靠衰变间接推测、不同实验众说纷纭的氩-42同位素丰度，终于有了直接、精准的“定数”。

从“高低差异”到“精准点数”，科研人员用激光陷阱与电磁富集这对黄金搭档，让极稀有同位素的直接测量成为现实。

未来，这套方法还有望拓展到其他极稀有同位素身上，为基础物理探索、地球与环境科学带来更强有力的“精密之尺”。