科學家實現鈣-41單原子靈敏檢測
中國科學技術大學教授盧征天、博士夏添與同事合作，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10-17（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。3月2日，相關成果在線發表于《自然-物理》。
鈣-41同位素由宇宙射線誘導產生，有望應用于冰川與古生物等自然界樣品的定年研究 中國科大供圖
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10-16至10-15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（10-15）的樣品做測量，結果阻礙了其實際應用。
用于探測鈣-41單原子的原子阱裝置 中國科大供圖
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。
最后，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10-16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10-17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。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-023-01969-w
