作者:卢征天等 来源:《自然-物理》 发布时间:2023/3/9 10:13:49
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科学家实现钙-41单原子灵敏检测

 

中国科学技术大学教授卢征天、博士夏添与同事合作,利用原子阱痕量分析方法实现了对极稀有同位素钙-41的单原子灵敏检测,将该同位素丰度的检测极限压低至10-17(十亿亿分之一)量级,并演示了对骨头、岩石、海水等典型样品的钙-41同位素分析。此项工作解决了地质、生物样品中钙-41同位素的探测难题,使得钙-41有望作为示踪定年同位素被应用于地球科学和考古学等领域。3月2日,相关成果在线发表于《自然-物理》。

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钙-41同位素由宇宙射线诱导产生,有望应用于冰川与古生物等自然界样品的定年研究 中国科大供图

自然界岩石和生物骨质普遍含有丰富的钙元素,其同位素组成以稳定同位素钙-40为主,同时包含极其少量的放射性同位素钙-41。钙-41的半衰期为10万年,是碳-14半衰期的17倍,因此钙-41可以覆盖比碳-14更古老的定年范围。地球上的钙-41主要由地表浅层(几米深度)内的钙-40捕获宇宙射线中子而产生,其同位素丰度仅为10-16至10-15量级,远远低于常用质谱仪所能达到的探测极限。

在过去的半个世纪里,全球十多家单位用加速器质谱方法对钙-41的探测难题进行了持续攻关,但受限于来自质量相近的钾-41的干扰,只能对自然界中丰度偏高(10-15)的样品做测量,结果阻碍了其实际应用。

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用于探测钙-41单原子的原子阱装置 中国科大供图

在此次工作中,研究人员首先用化学方法从岩石、骨头、海水样品中提取出约80毫克的金属钙,装入原子炉加热产生原子束流。再利用基于冷原子物理的冷却、聚焦、减速、磁光阱等各种激光操控方法将钙-41原子一个一个地从束流中俘获。通过测量被俘原子放出的荧光实现对单个钙-41原子的计数。

最后,研究人员利用原子阱的超高选择性排除了其它同位素、元素及分子的干扰,在10-16同位素丰度水平实现了定量分析,测量精度达12%,并将探测极限压至10-17量级。

下一步,研究人员计划与国内外科学家开展广泛合作,共同探索钙-41定年在地球科学与考古学领域的应用。(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41567-023-01969-w

 
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