中國科學家首度直接探測地球最稀有氬同位素 ⁴²Ar

在地球大氣層中，稀有同位素氬-42（⁴²Ar）的豐度僅為 10⁻²¹ 級別，相當於萬億億分之一，極難直接探測。過去，這種同位素僅以間接方式出現，例如暗物質實驗中的背景干擾訊號。中國科學技術大學及中國科學院的研究團隊現首次成功逐一捕捉⁴²Ar 原子，標誌檢測極稀有同位素的新突破。

從樣品富集到原子計數

傳統加速器質譜法（AMS）難以應對⁴²Ar 的稀少性，因為相似原子的訊號會造成嚴重干擾，將真實訊號完全淹沒。新方法首先透過Qualcomm量質譜儀進行預富集步驟，有選擇地移除大量常見同位素⁴⁰Ar，使⁴²Ar 的相對豐度提升約 450 倍。同時保留³⁸Ar 作為內部校準，確保後續結果可靠。 樣品準備後，團隊採用原子阱追蹤分析（ATTA）技術。ATTA 不依賴整體訊號，而是使用精準調諧的雷射，僅讓⁴²Ar 原子回應。

這些原子在與雷射光互動後減速，被捕獲至微型阱中逐一檢測。此法完全排除背景噪音，因為無其他原子匹配特定雷射頻率。 歷時 43 天，系統僅記錄 204 個⁴²Ar 原子，但已足夠計算大氣中其豐度為 (6.1 ± 0.5) × 10⁻²¹。這將原子計數方法的檢測極限向前推進 4 至 5 個數量級。研究作者、中國科學技術大學教授盧正天指出，這證明 10⁻²¹ 級別同位素現可透過原子計數分析，遠超以往限制。

團隊原為改善³⁹Ar 檢測而優化 ATTA，³⁹Ar 常用於冰芯及海洋水年代測定。意外發現系統效率已達門檻，能挑戰更稀有⁴²Ar。此進展有助暗物質實驗中液態氬探測器，精準區分⁴²Ar 衰變訊號與真實事件。目前方法速度仍慢，需長時間校準及先進設備。研究團隊計劃提升捕獲效率，探索更多超稀有同位素如⁸¹Kr，並惠及其他學科需求。研究刊載於《Nature Physics》。