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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授盧征天及其同事Florian Ritterbusch博士運用全光激發(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(xué)研究，相關(guān)成果以“Optical Excitation and Trapping of81Kr”為題于7月6日發(fā)表在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 127, 023201(2021)]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）。自從上世紀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。在本工作中，科研組研制成一種高亮度共振真空紫外燈，并將其應(yīng)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。團隊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(xué)問題，這種原子阱超靈敏分析工具帶來了新的研究機遇。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士生王杰為論文第一作者，盧征天教授和Florian Ritterbusch博士為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。

中科大激光痕量探測與精密測量實驗室：atta.ustc.edu.cn

圖、Florian Ritterbusch博士與研究生王杰調(diào)試高亮度共振真空紫外燈。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.023201

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）