科大运用全光激发实现氪-81的单原子探测

2021年07月08日

中国科大运用全光激发实现氪-81的单原子探测

中国科学技术大学教授卢征天及其同事Florian Ritterbusch博士运用全光激发实现了对极其稀有同位素氪-81的单原子探测，这一量子精密测量方法的突破将助力于地球与环境科学研究，相关成果以“Optical Excitation and Trapping of81Kr”为题于7月6日发表在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 127, 023201(2021)]上。

我们身边有一种微量的惰性气体叫氪，它在空气中的含量为百万分之一。氪由多种同位素组成，包括一种半衰期为23万年的放射性同位素氪-81，在空气中的含量仅为百亿亿分之一（10-18）。自从上世纪60年代在空气中发现氪-81以来，科研人员一直梦想着用氪-81这个天然示踪剂来帮助了解环境中的水、冰循环过程，给百万年老的古地下水与冰川定年。卢征天教授发明了一种称为“原子阱痕量分析”的单原子灵敏检测方法，可以一个一个地数出环境样品中所含的氪-81原子。

用原子阱捕获氪-81需要首先将原子激发到一个亚稳量子态上。目前国际上均采用气体放电方法来制备亚稳态氪原子，方法简单可行，然而存在着激发效率低、样品损失和交叉污染等问题。在本工作中，科研组研制成一种高亮度共振真空紫外灯，并将其应用于全光激发氪原子，从而避免了气体放电所带来的种种问题。团队提出了一种新的机理来解释真空紫外光子在氪气中传播时的“自吸收”现象——光子在氪气中多次散射后并未损失，而是其频率发生了偏移。经过四年的不断尝试，他们在保持光源高亮度特征的同时，减小了光频偏移，建成了基于全光激发的氪原子阱，并达到了每小时1800个氪-81原子的探测速率。对于古地下水研究和寻找百万年前形成的冰芯等科学问题，这种原子阱超灵敏分析工具带来了新的研究机遇。

合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生王杰为论文第一作者，卢征天教授和Florian Ritterbusch博士为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。

中科大激光痕量探测与精密测量实验室：atta.ustc.edu.cn

图、Florian Ritterbusch博士与研究生王杰调试高亮度共振真空紫外灯。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.023201

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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祝贺卢院长和同事及指导的博士生取得新成果。