卢征天
中国科学技术大学
中科院量子信息与量子科技创新研究院教授
2017年10月27日晚，在由SELF讲坛联合未来论坛承办的“未来科学大奖·物质科学奖”学术报告会上，中国科学技术大学、中科院量子信息与量子科技创新研究院教授卢征天教授以“量子精密测量：单原子灵敏检测”为题进行了演讲，以下内容为卢征天演讲实录：
今天我的报告题目是《量子精密测量：单原子灵敏检测》。这方面的工作我已经做了20年了，在美国的阿贡国家的实验室里，我们有一个传统，每年冬天挑一个特别冷的，最好是大雪纷飞的天气，我们所冲出去拍一张集体照。
2015年我全职回到我的母校工作，和胡老师、蒋蔚等几位老师创建了中科大激光痕量探测与精密测量实验室，做单原子探测，实现同位素定点，为研究全球的区域水循环提供关键时间信息，这是我们的核心科学目标。
大家看到，地球上水循环时间非常不同，跨度相当大。洋流的时间尺度从几年到几千年，冰川几年到几十万年，地下水浅层的也就几年，深层的可以几百万年，所以了解这样一个过程，时间尺度是个基本信息，需要我们定研究手段。
我们以地下水为例，解释一下放射性气体同位素定年的原理。80Kr是在大气中产生，一方面它不断产生，一方面又达到一个平衡，因为它是气体，所以在空气中得到充分的混合，均匀分布。空气量不管是在北京还是在合肥、芝加哥，甚至到南极洲，空气里同位素分布都是相等的。这样就建立了一个非常好的条件，因为表面水和空气交换测量，表面水里的同位素分布和空气值是相等的。
但是一旦水流入地下以后和空气隔绝了，不再有新鲜的80Kr原子补充进来，从那个时候80Kr同位素分布就会按照核衰变的规律逐年减少。水结冰也是这个道理，水结冰以后，就不再有新的80Kr进来，所以冰量或者地下水量被提出来以后，分析里面80Kr的分布，就可以知道这个水的年龄。我们知道水本来没有年龄，所谓的“水体的年龄”，就是这包水和空气已经隔绝多少年了，表面水它的年龄就是0。随着这一条水流线，这个水的年龄会慢慢增长。
在实际应用当中，这个是反过来的，因为这个水流线你看不到，没法观察，我们是通过在不同的点取水量把年龄测出来，然后画出这条水流线，这样就可以了解地下水的流向和流速，为水资源管理提供科学数据。这样的工作用碳-14定年已经做了很多次，是地球与环境科学当中不可缺少的工具。当年芝加哥大学的Willard Libby教授，就是通过这个获得诺贝尔化学奖的。
碳-14是气体同位素，但是它在大气中氧化成二氧化碳这样一个稳定气体，这样就得到了充分混合，这是非常重要的因素。它定年有一个有限的范围，为什么呢？这跟它的半衰期有关。它的半衰期是5730年，当年龄远小于半衰期的时候，变化非常小，这一段不灵敏；另外一方面如果年龄远超过半衰期的时候，同位素分布太低了，不好测。所以围绕它的半衰期，碳-14的有效定年范围是从几百年到几万年。
在大气当中，除了碳-14之外，还有三种长寿命的放射性气体同位素，他们是
85Kr，39Ar，81Kr都是惰性气体，非常巧，这几个同位素半衰期分布在不同的数量级，它们的有效定年范围一个接着一个，连续覆盖从几年一直到140万年。目前碳-14定年已经被解决了，我们做单元子探测，就是为了解决这三个同位素。另外还说一点，惰性气体是非常好的，因为它不参与化学反应，我们说它是理想的定年同位素。
这个重要性早在1969年就提出来了，由瑞士著名的科学家Hans Oeschge和他的学生提出来的，但是检测问题一直没有得到解决。难在哪里？它们的同位素丰度极其低，远远低于质谱仪所能达到的探测极限。85Kr是2x10-11，81Kr是6x10-13，探测1000个原子本身不算难，但是这些原子是混合在比它多12个数量级的其他Kr原子里面，这个非常难，39Ar就更低了，是8x10-16。
为了解决这些问题，国际上好多研究机构试了各种各样的方法，都没有找到答案。我们发展了原子阱单原子探测技术，现在原理都通了，可以探测这三个同位素。在地球科学中，不断有新的方法进来推动学科发展。比如上世纪二十年代的时候，质谱仪出现了，人们可以用它做稳定同位素的测量。现在100年过去了，质谱仪是实验室里通用的仪器。
七十年代的时候，加速器质谱出现，对研究碳-14定年是一个革命性的、颠覆性的技术，大大推动了碳-14的定年的发展。但是它要求同位素形成负离子，因为正离子本体太高，像14C、10Be、36CI，但是Kr和Ar不产生负离子，所以他们一直做不好。而原子阱方法，正好对于研究惰性气体特别在行。我觉得在今后的5年到10年中的发展，我们可以解决持续了将近50年的探测难题，使得同位素定年和示踪技术出现一次跳跃式的发展。
原子阱痕量分析方法是我在国际上首先提出来的，英文简称叫ATTA。压气从管子里注入到真空当中，我们用束激光做准值，这束激光迎头打上去，让原子慢下来，最后六束激光把原子抓在阱里面。一束激光如果打在手上，其实有推动的力，但我的手感觉不出来，这个光的力特别弱，所以感觉不到这个力。但是原子本身特别轻，就像光这样微弱的力也可以推动这个原子，可以用它来做原子的操纵。
原子在不断地闪射光子，它是发光的，这个方法特别灵敏，我们可以直接对单原子进行计数，一个原子被激光照上去的时候还挺亮的。在我们实验里面如果从窗口往里面看，如果阱里面有100个原子的话，我肉眼都能看到，我说的是我年轻时眼神比较好的时候。
除了这个灵敏度之外，原子阱还有一个特殊的性质，它有超高选择性，这个纵轴是原子阱捕获原子的数率，横轴是激光频率，只有当激光频率和原子跃迁的频率相等的时候，两个产生共振的时候原子阱才工作，所以我们把激光频率调到这个数值。原子阱只抓83Kr原子，不同的原子频率是不一样的，调到这就只抓81Kr，调到这只抓85Kr。
这种频率变化也可以理解为激光颜色的区别，比如平常的红色、绿色，我们用眼睛可以看出来，因为两个光相差大概15%左右，而这两个的差别在百万分之一，所以我们眼睛是看不出颜色差别的。但是现代的激光技术非常先进，这些都没有问题，我们可以轻而易举地把激光频率控制在不同的数值。
这三个峰是在同一个样品里得到的，但是我没有把它画在一起，为什么？因为中间这个峰同位素分布是10%。这边6x10-13，这两个峰的峰高相差11个数量级，什么概念呢？如果这个峰在屏幕上是硬的话，按比例，中间这个峰是10-11，要涨上去的话，远远超过月亮，平常的光谱是没有办法把三个分开，中间是一个巨高的峰，旁边两个小的看不见。但原子阱可以看得清清楚楚。
原理都通了，接下去为了广泛应用起来，我们还要做很多事：我们需要大幅度地提高测量原子的效率、测量原子的速度、检校单次测量所要求的样品量。所以我们需要研究原子阱各个部位，从圆周开始要解决一系列的技术难点。这方面工作我们实验室都在做，这是我们实验室老师和同学工作的场景，实验室里有很多好玩的东西，欢迎大家来合肥参观。从照片可以看到，好多有激光、光学器件，有真空系统，这套装置将在放射性Kr、Ar里面起到关键的作用。
整个定年的流程是这样，首先我们从冰或者水里面把气体提出来，这方面我们通常在野外可以做，或者把冰拿到实验室做。第二，气体有各种成分，我们用物理的低温蒸馏的方法，或者高温的化学反应方法，把别的气体去掉，惰性气体不产生化学反应，用气相色谱的方法把Kr和Ar分开。第三步就是测里面的同位素分布。
同位素丰度是一个比值，是一个稀有同位素比上稳定同位素的比值，这个有很大的好处，因为我们工作当中有许多不确定因素，比如说我们把水里面的气体可以到80%到90%，但是具体是多少我不知道，是个不确定因素，没有关系，因为我们测的是比值，所以这个不确定因素就上下约掉了。
目前我们一方面在实验室里发展方法，另一方面国际上地球科学家行动起来与我们合作。这些点就标志我们目前已经做的一些研究。我给大家举几个例子，比如这是澳大利亚，澳大利亚有一个很大的荒漠，地上是荒漠，地底下有一个很大的水下系统。这是我们这次课题的组长，水文学家Andy Love。
这个水率是给畜牧场做的，我参加了Andy这个项目之后发现，研究地下水有很大的好处。你想在荒漠当中方圆几十里都没有水，只有这地方有一口井。不但我们知道，各种野生动物、各种鸟都知道这一点，都到这来喝水，跟我们聚集在一起。
这个地方是以色列，我们在死海边上取水，这个井是工业用水，现在的井实际就是一个钢管，它探下去2000米可以把地下水引上来。这地方是新疆伊犁，这水是用来农业灌溉。地下水有各种各样的用处，我们和国土资源部、中国地质科学院合作做了个地下水调查，图中可以看到水的装置，大概取样需要半小时到一个小时的时间。
有了这些以后，水文学家就可以用它建一个地下水模型，这个是关中盆地地下水模型，作者是我们的合作伙伴——中科院地球物理所庞忠和老师。
刚才讲的几个地下水调查，我们看到“老”的水非常高兴，但其实是水越“年轻”越好，为什么呢？水年轻就表示地下水流得比较快，补剂量比较大，这样的话用水可以更多一点，而在甘肃北山我们希望水越“老”越好。这是我国高放射性核废料存储区的首选区，核废料存储存在一个很重要的问题，就是地下水慢慢把一些东西带到周边环境去，所以说地下水循环过程一定要研究，安全性是个很重要的因素。
简单来说给水定年，越“老”就说明它与周边环境隔离得开。我们不但在这里做，同时我们也收到了来自日本和瑞典的申请，他们要我们帮他们国家的核废料存储地进行定年，将来这个定年将会是国际的评估评定标准。去年11月份国际原子能组织启动了一个合作项目，邀请了12个国家，做一个给古老的水定年的项目。其他专家都是水文专家，就我一个做物理的，大家要和我们实验室合作，在遍布6个大洲的12个国家，做81Kr试点的定年工作，成功以后要在全球推广。
这是地下水定年技术。用同样的原理，我们也可以给海水定年。海水流动量很大，所以海水流起来在全球或区域性范围带动了很多热量的传输，它是个传输带，所以说研究洋流特别重要。这方面的工作刚刚起步，中科院海洋所在菲律宾海一个点上，我们用85Kr给它做了一个垂向结构。
目前国家海洋局的“向阳红01”，在进行我国首次环球海洋中国科考。今天在南大西洋，从甲板上传来“海水和煤气罐的故事”新闻报道。我读了这个报道，内容是水汽上来以后，别人都用非常科学的器皿在取样，有一位科学家拿煤气罐取样，这怎么回事呢？原来这是我们的合作伙伴，海洋一所的两位老师，一位叫腾飞，另外一位姓徐名腾飞，两个人还在一起工作，还是好朋友。因为我们要水里的惰性气体，所以我们拿到样品的时候，一定要密封不能漏气，所以我们就想到用煤气罐，又便宜又可靠。
下面讲冰川，从冰里面取水稍微麻烦一点，这是我们合作的同事，美国罗切斯特大学的。他带一个大锅到南极洲去，把冰放进去，冰融化了以后，里面的气体跑出来，送到我们的实验室。我们找到了12万年前的“老”冰，离地表很近。南极洲有很多蓝冰区，大家觉得蓝冰区的冰很“老”，我们用81Kr确定以后就可以在蓝冰区找到很“老”的冰。
中国极地中心到南极洲的格罗夫山也取回蓝冰，我们刚刚做了这个分析，明年基地中心的冰川学家还要再去，在更多的蓝冰区取样。为什么研究冰芯呢？因为冰芯是地球的档案柜，当时的空气就包在冰芯里面，保存得很好，我们要了解过去百万年的气候变化历史，通过研究冰就可以找出来。
同时我们也在和中科院青藏高原所的同事合作，在青藏高原找“老”冰。冰川学家从边上用手工挖进去，非常辛苦，还有点危险。去年湖南卫视给田立德老师做了一个跟踪报道，我们实验室的老师同事都看了节目，大家非常敬佩田立德老师。其实我们的合作伙伴当中有很多像田老师这样值得我们敬佩的平民英雄，他们去高原、去极地、去远洋、去荒漠，把这些样品取回来为我们测量。所以我们也有很大压力，因为这个样品特别珍贵，有时候几十公斤水，取出来的Kr气连一个微升都不到，所以我们工作要非常小心，出错了就对不住我们的同事。
我们这个方法和它的应用在国际上也得到了比较好的评价，这是2014年美国科学院院报上对我们工作的评述，作者是海德堡大学的教授。他说将来我们在ATTA的影响可以与今天加速器质谱在碳-14定年上的成功相比，会成为一个被广泛使用的分析方法，但是ATTA需要进一步提高才能达到这个预期。
所以一方面我们继续要做技术创新，让它成为一个国内与国际地球科学中不可缺少的工具。在这个基础上成立一个检测中心，我们可以借鉴一下碳-14定年的经验。目前碳-14定年在国际上有上百家的公司，我们要用我们自己研制的仪器成立世界上首家放射性Kr、Ar定年检测中心，以此推动我国地学科学家取得重大原创性研究成果，将来在国际合作中起到重要的作用。谢谢大家！
本文转载自公众号“SELF格致论道讲坛”（ID：SELFtalks）
发表于 2017-11-24 23:43
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