중국과학기술대학교 Lu Zhengtian(盧征天) 교수 연구팀은 전광 여기(All optical excitation)를 이용하여 극히 희귀한 동위원소인 크립톤-81의 단일원자를 검출했다. 해당 양자 정밀측정 방법은 지구 및 환경학 연구에 도움을 줄 전망이다. 관련 연구 성과는 국제학술지 "Physics Review Letters"에 게재되었다.

불활성 기체인 크립톤은 다양한 동위원소로 조성되었으며 공기 중 함량은 100만분의 1이다. 그중 반감기가 23만년인 방사성 동위원소 크립톤-81의 공기 중 함량은 100억억분의 1에 불과하다. 1960년대에 공기 중에서 크립톤-81이 발견된 이후 크립톤-81은 환경 중의 물과 얼음 순환 과정을 이해하고 수백만년된 고대 지하수와 빙하의 연대를 측정할 수 있는 자연추적자로 간주되어 왔다. Lu Zhengtian 연구팀은 환경 샘플 중에 함유된 크립톤-81 원자를 하나씩 셀 수 있는 “원자트랩 흔적량 분석”이라고 불리우는 단일원자 감지 검출 방법을 발명하였다.

원자트랩으로 크립톤-81을 포획하려면 먼저 원자를 준안정 양자 상태로 여기시켜야 한다. 현재 세계적으로 모두 기체방전법을 이용하여 준안정상태 크립톤 원자를 제조하는데 해당 방법은 간단하고 실현 가능하지만 여기 효율이 낮고, 시료 손실, 교차 오염 등의 문제가 있다. 연구팀은 고휘도 공진 진공 자외선 램프를 개발하여 크립톤 원자의 전광 여기에 적용하여 기체방전으로 인한 다양한 문제를 해결했다. 또한 새로운 메커니즘을 제안하여 진공 자외선 광자가 크립톤 기체에서 전파될 때의 “자체 흡수” 현상을 설명했다. 즉, 광자는 크립톤 기체에서 다중 산란 후에 손실되지 않고 주파수 편이만 발생한다. 4년 간의 지속적인 시도 끝에 광원의 고휘도 특성을 유지함과 아울러 광주파수 편이를 줄이고, 전광 여기에 기반한 크립톤 원자트랩을 구축했다. 크립톤-81 원자의 검출 속도는 시간당 1,800개에 달했다. 해당 원자트랩 감지 분석 방법은 고대 지하수 연구 및 수백만년 전에 형성된 빙하코어 수색 등 과학 문제에 대한 새로운 연구 기회를 가져왔다.

정보출처 : http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-07/12/content_471496.htm?div=-1