氪是一種微量的惰性氣體，它在空氣中的含量為百萬分之一。氪由多種同位素組成，其中一種半衰期為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。自從20世紀(jì)60年代人類在空氣中發(fā)現(xiàn)氪—81以來，科研人員一直夢想著用氪—81這個天然示蹤劑幫助了解環(huán)境中的水、冰循環(huán)過程，為古地下水與冰川定年。

盧征天發(fā)明了一種稱為“原子阱痕量分析”的單原子靈敏檢測方法，可以逐個數(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。

在該工作中，盧征天團(tuán)隊研制出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(tuán)隊提出一種新的機(jī)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，而是頻率發(fā)生了偏移。經(jīng)過4年不斷嘗試，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(dá)到每小時1800個氪—81原子的探測速率。

該原子阱超靈敏分析工具，為古地下水研究和尋找百萬年前形成的冰芯等科學(xué)問題帶來了新機(jī)遇。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.023201

(原載于《中國科學(xué)報》 2021-07-14 第1版 要聞)