(a) 實驗示意圖。通過用超強 J-KAREN 激光照射大面積懸浮石墨烯靶 (LSG)，產生高能離子。(b) 和 (c) 分別顯示了石墨烯的拉曼光譜和顯微鏡圖像。(d) 和 (e) 分別顯示了使用固態(tài)路徑跟蹤器和湯姆遜拋物線光譜儀 (TPS) 的堆棧探測器示意圖。(g) 和 (f) 分別顯示了 TPS 和堆棧的典型數據。圖片來源：科學報告

 

激光驅動離子加速已經被用于開發(fā)一種緊湊而高效的等離子體加速器，該加速器可應用于癌癥治療、核聚變和高能物理。近日，日本大阪大學領導的研究團隊在日本量子科學技術研究開發(fā)機構用超強J-KAREN激光照射世界上最薄、最強的石墨烯靶材，從而實現(xiàn)了直接高能離子加速，開啟了激光驅動離子加速的新機制。研究結果發(fā)表在自然科研旗下《科學報告》雜志上。

在激光離子加速理論中，更高的離子能量需要更薄的靶材。然而，由于強激光的噪聲分量在激光脈沖主峰之前破壞了目標，因此很難直接加速極薄靶區(qū)的離子。為了實現(xiàn)強激光對離子的高效加速，必須使用等離子反射鏡來去除噪聲成分。

因此，研究人員開發(fā)了大面積懸浮石墨烯（LSG）作為激光離子加速的目標。石墨烯被稱為世界上最薄、最堅固的2D材料，適用于激光驅動的離子源。

“原子薄的石墨烯是透明的，具有高導電性和導熱性，重量輕，同時也是最堅固的材料。”該研究的作者翁偉彥（音譯）解釋說，“迄今為止，石墨烯已經得到了廣泛的應用，包括在交通、醫(yī)藥、電子和能源等領域。我們展示了石墨烯在激光離子加速領域的另一個顛覆性應用，其中石墨烯的獨特性發(fā)揮著不可或缺的作用。

LSG靶的直接照射產生MeV質子和碳，從亞相對論到相對論激光強度，從低對比度到高對比度，不需要等離子反射鏡，這表明了石墨烯的耐久性。

研究人員表示，這項研究的結果適用于開發(fā)緊湊高效的激光驅動離子加速器，用于癌癥治療、激光核聚變、高能物理和實驗室天體物理。高能離子在沒有等離子反射鏡的情況下直接加速，顯示了LSG的穩(wěn)健性。研究人員將使用原子薄的LSG作為目標支架來加速其他無法自行承受的材料，他們還展示了非相對論強度下的高能離子加速。此外，即使在極薄的靶區(qū)沒有等離子反射鏡，也可以實現(xiàn)高能離子加速，這開啟了激光驅動離子加速的新機制。