Wissenschaftler detektieren direkt eines der seltensten Argon-Isotope der Erde

Nun haben Forscher der University of Science and Technology of China und der Chinese Academy of Sciences (CAS) es wahrscheinlich zum ersten Mal direkt, Atom für Atom, erfasst.

Bisher war die Hauptmethode zur Untersuchung seltener Isotope die Massenspektrometrie mit Beschleuniger (AMS), aber selbst diese Technik versagt, wenn es darum geht, etwas so Seltenes wie Argon-42 zu entdecken.

Das Problem ist nicht nur die Empfindlichkeit, sondern die Verwirrung: Signale ähnlicher Atome verwischten die Ergebnisse und erzeugten eine Hintergrundinterferenz, die eine präzise Detektion unzuverlässig machte. Im Maßstab von ⁴²Ar überwältigt diese Interferenz das Signal vollständig und hält es unerreichbar.

Technik, Energie und Einsatz

Der neue Ansatz verspricht jedoch, dieses Problem zu überwinden.

Die Studienautoren stellen fest: „Unsere Studie demonstriert ein leistungsstarkes Werkzeug zur Detektion erreichbaren Häufigkeitsniveaus mit Implikationen für die Umweltdatierung und die Hintergrundcharakterisierung in Flüssigargon-Detektoren der nächsten Generation.“ Ein Signal aus fast nichts aufzubauen Um überhaupt nahe an die Detektion von ⁴²Ar heranzukommen, mussten die Forscher zunächst ein grundlegendes Problem lösen: Das Isotop ist unter einem massiven Überschuss an gewöhnlichem Argon begraben.

Daher begannen sie damit, ihre Probe umzugestalten. Mit einem Hochfluss-Massenspektrometer führten sie einen Voranreicherungs-Schritt durch.

Dieser Prozess entfernte selektiv große Mengen

Dieser Prozess entfernte selektiv große Mengen des häufigsten Isotops, ⁴⁰Ar, aus dem Gas. Durch das Reduzieren der überwältigenden Mehrheit ließ sich das seltene ⁴²Ar effektiver hervorheben – wodurch seine relative Präsenz um etwa 450 Mal gesteigert wurde.

Gleichzeitig behielten sie ³⁸Ar absichtlich in der Probe bei. Dieses Isotop wirkte wie ein eingebauter Kontrollpunkt und half ihnen zu bestätigen, dass das, was sie später sahen, real und kein Artefakt war.

Mit der vorbereiteten Probe wandten sie sich der Atomfallen-Spurenanalyse (ATTA) zu. Anstatt ein Massensignal zu messen, funktioniert ATTA, indem es einzelne Atome gezielt ansteuert.

Das Team verwendete Laser, die so

Das Team verwendete Laser, die so präzise abgestimmt waren, dass nur ⁴²Ar-Atome reagierten. Wenn diese Atome mit dem Laserlicht interagierten, verlangsamten sie sich genug, um in einer kleinen Falle eingefangen zu werden, wo jedes einzeln detektiert werden konnte.

Das ist, was ATTA auszeichnet. Es reduziert nicht nur das Hintergrundrauschen – es eliminiert es.

Da kein anderes Atom die exakt verwendete Laserfrequenz aufweist, gelangen falsche Signale einfach nicht in die Messung. Selbst bei solch hoher Präzision war der Fortschritt jedoch langsam.

Was die Studie zeigt

Über lang registrierte das System nur 204 Atome, aber diese geringe Zahl war ausreichend. Daraus berechneten die Forscher die Häufigkeit des Isotops in der Atmosphäre mit (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹, wodurch die Reichweite ählmethode um vier bis fünf Größenordnungen im Vergleich zu früheren Grenzwerten erweitert wurde.

„Wir haben gezeigt, dass Isotope so selten wie 10⁻²¹ nun mittels Atomzählung analysiert werden können – und damit die Nachweisgrenze um vier bis fünf Größenordnungen über das bisher Machbare hinaus verschoben haben“, sagte Zheng-Tian Lu, einer der Studienautoren und Professor an der University of Science and Technology of China (USTC).

die Forschung noch interessanter macht, ist, dass die Studienautoren ursprünglich nicht darauf aus waren, nach ⁴²Ar zu suchen. Sie hatten ATTA zur Untersuchung von ³⁹Ar verbessert, das viel häufiger vorkommt und zur Datierung wird.

Allerdings erkannten sie, als ihr System

Allerdings erkannten sie, als ihr System effizienter wurde, dass sie leise einen Schwellenwert überschritten hatten – einen, der es möglich machte, ein viel selteneres Isotop zu untersuchen. Die Bestimmung der Häufigkeit von $\text{}^{42}\text{Ar}$ könnte die Zuverlässigkeit sofort verbessern.

In mit flüssigem Argon gefüllten Detektoren erzeugt der Zerfall dieses Isotops Signale, die täuschend ähnlich zu denen sein können, nach denen Wissenschaftler suchen. Mit einer klareren Messung, wie viel $\text{}^{42}\text{Ar}$ vorhanden ist, können Forscher echte Ereignisse besser ührenden unterscheiden.

Allerdings ist der aktuelle Ansatz für Routineexperimente noch nicht schnell genug. Die Detektion solch winziger Mengen, und die Einrichtung erfordert sorgfältige Kalibrierung und fortschrittliche Ausrüstung.

Die Praktikabilität der Methode wird davon

Die Praktikabilität der Methode wird davon abhängen, wie schnell Atome eingefangen und gezählt werden können.

Daher planen die Forscher nun, die Detektionseffizienz zu verbessern und die Empfindlichkeit noch weiter zu steigern, in der Hoffnung, andere ultra-seltene Isotope zu identifizieren, die bisher unsichtbar geblieben sind.“Diese Fortschritte werden nicht nur zukünftige Anwendungen von ⁴²Ar zugutekommen, sondern auch die Analyse bereits verwendeter Isotopentracer verbessern, darunter ³⁹Ar und ⁸¹Kr“, sagte Lu.

Außerdem „wären wir auch daran interessiert zu erfahren, ob es andere ultra-seltene Isotope gibt, die Wissenschaftler in verschiedenen Disziplinen nachweisen möchten“, schloss er. Die Studie wurde im Journal Nature Physics veröffentlicht.