我国学者实现大气中极稀有同位素氩-42的直接探测

合肥国家实验室/中国科学技术大学卢征天、蒋蔚研究团队与中国科学院近代物理研究所孙良亭团队合作，成功实现了对大气样品中极稀有放射性同位素氩-42（⁴²Ar）的直接探测。氩-42在大气中的同位素丰度极低，仅约为十万亿亿分之一（10⁻²¹）量级。此次突破将现有方法的探测灵敏度提升了约4–5个数量级，为超低丰度同位素的精密测量开辟了新路径，标志着单原子灵敏探测技术迈上新台阶。相关成果于4月14日以“Detection of Atmospheric ⁴²Ar at the 10⁻²¹ Level by Atom Counting”为题，发表在国际权威物理学期刊《自然·物理学》（Nature Physics）上。

Credit: Nature Physics

氩-42是一种由宇宙射线与大气相互作用产生的放射性同位素，半衰期为33年。尽管含量极低，其衰变产物会在液氩探测器中产生本底信号，影响暗物质和双β衰变实验的探测灵敏度。长期以来，氩-42的测量主要依赖大型液氩探测器中的衰变计数方法，但不同实验之间结果存在较大差异。另一方面，加速器质谱技术受限于质量相近原子及分子的干扰，其探测极限约为10⁻¹⁶量级，仍无法满足对大气中氩-42的直接测量需求。

图 1 万兆丰博士（右）和博士生梁佳炜（左）在检查氩同位素原子阱仪器的激光系统

针对这一挑战，研究团队采用自主发展的“原子阱痕量分析”（Atom Trap Trace Analysis, ATTA）技术，实现了对氩-42的单原子探测。该方法利用共振激光将目标原子减速、冷却并俘获在磁光阱中，通过荧光探测实现单原子的成像与计数。由于只有目标同位素能够满足共振条件，该技术从原理上消除了不同元素及分子的干扰，具有极高的选择性和灵敏度。

鉴于氩-42在自然界中的极低丰度，直接探测速率过低，预计每月仅能捕获约一个原子。为提高测量工作效率，研究团队引入了同位素预富集步骤。由中科院近代物理研究所研制的强流电磁质谱装置首先去除占绝大多数的氩-40同位素，同时收集氩-42及作为参考的稳定同位素氩-38。预富集后的样品再进入原子阱系统进行单原子探测。研究团队在43天内累计观测到204个氩-42原子，最终测得大气中氩-42的同位素丰度为（6.1 ± 0.5）× 10⁻²¹。

图 2 大气⁴²Ar的测量。来自大气的氩气样品先经过同位素预富集，除去大部分⁴⁰Ar。富集后的氩样品被送入原子阱系统，进行⁴²Ar同位素的单原子探测。

原子阱痕量分析技术近年来已成功应用于极地冰芯与青藏高原冰川定年，以及全球范围地下水年龄示踪等研究。此次与预富集技术的结合，将其探测能力拓展至更低的同位素丰度范围。未来，该方法有望应用于更多极稀有同位素的测量，为基础物理、地球与环境科学研究提供新的精密工具。

该研究工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省及合肥市的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03257-9

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