對激光驅(qū)動的離子加速的研究是為了開發(fā)一種緊湊和高效的基于等離子體的加速器，它適用于癌癥治療、核聚變和高能物理。大阪大學(xué)的研究人員與日本國家量子科學(xué)技術(shù)研究所(QST)、神戶大學(xué)和臺灣中央大學(xué)的研究人員合作，報(bào)告了在日本QST的關(guān)西光子科學(xué)研究所用超強(qiáng)的J-KAREN激光器照射世界上最薄和最強(qiáng)的石墨烯靶材而直接進(jìn)行高能離子加速。

他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Springer Nature》的《科學(xué)報(bào)告》上。

在激光離子加速理論中，更薄的靶材需要更高的離子能量。然而，由于強(qiáng)激光的噪聲成分在到達(dá)激光脈沖的主峰之前就破壞了目標(biāo)，所以一直很難直接用極薄的靶體來加速離子。在這種狀況下有必要使用等離子體反射鏡，它可以消除噪聲成分，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光的有效離子加速。

(a) 實(shí)驗(yàn)示意圖。通過用超強(qiáng)的J-KAREN激光照射大面積的懸浮石墨烯目標(biāo)(LSG)，產(chǎn)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)的堆棧檢測器的示意圖。(g)和(f)分別顯示了TPS和堆棧的典型數(shù)據(jù)。

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(biāo)。石墨烯被稱為世界上最薄和最強(qiáng)的二維材料，它適合于激光驅(qū)動的離子源。

"原子級薄的石墨烯是透明的，高度導(dǎo)電和導(dǎo)熱，而且重量輕，同時也是最強(qiáng)的材料，"研究作者Wei-Yen Woon解釋道。"到目前為止，石墨烯已經(jīng)得到了各種應(yīng)用，包括在交通、醫(yī)藥、電子和能源方面的應(yīng)用。我們展示了石墨烯在激光-離子加速領(lǐng)域的另一個顛覆性應(yīng)用，其中石墨烯的獨(dú)特功能發(fā)揮了不可或缺的作用。"

直接照射LSG目標(biāo)產(chǎn)生MeV質(zhì)子和碳子，從亞相對論到相對論的激光強(qiáng)度，從低對比度到高對比度的條件，沒有等離子體鏡，展示了石墨烯的耐久性。

"這項(xiàng)研究的成果適用于為癌癥治療、激光核聚變、高能物理和實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)開發(fā)緊湊和高效的激光驅(qū)動離子加速器，"研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解釋說。"在沒有等離子體鏡的情況下直接加速高能離子，顯然顯示了LSG的堅(jiān)固性。我們將使用原子般薄的LSG作為目標(biāo)支架來加速其他不能獨(dú)立存在的材料。我們還展示了非相對論強(qiáng)度下的高能離子加速。這將使我們能夠用相對較小的激光設(shè)施研究激光離子加速。此外，即使沒有等離子體鏡，在極薄的靶體下也能實(shí)現(xiàn)高能離子加速。這為激光驅(qū)動的離子加速開辟了一個新的領(lǐng)域"。