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本报讯（记者王敏）中国科学技术大学教授卢征天等人，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。近日，相关成果在线发表于《自然-物理》。
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捕获宇宙射线中子产生，其同位素丰度仅为10-16至10-15量级，远低于常用质谱仪所能达到的探测极限。
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原子一个个从束流中俘获。最后，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他同位素、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%，并将探测极限压低至10-17量级。
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https://doi.org/10.1038/s41567-023-01969-w
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