激光離子加速器的加速場強比傳統加速器高三個量級以上，具有源尺寸小、脈寬短、束流密度高等優勢，在腫瘤放療、核物理、天體物理和溫稠密物質的產生等方面具有重要的應用前景。目前，實驗上已獲得最高能量接近100MeV的質子束和約80MeV/u的碳離子束；相比之下，超重離子（質量數～200）的最高能量只停留在MeV/u量級，這是由于一方面，靶表面沾污層或靶內的質子和低Z離子會對重離子加速產生屏蔽效應；另一方面，超重離子極難被電離至高價態，難以被有效加速。作為激光離子加速最后的難題，超重離子加速理論與實驗研究亟待突破。
聯合研究團隊前期解決了碳納米管泡沫不能在納米高分子膜、金屬膜等材料表面沉積的難題，制備出多種類型的復合納米靶材，為開展超重離子的加速實驗提供了先進靶材支持。在此基礎上，使用緊聚焦的離軸拋物面鏡將拍瓦級超短脈沖激光（22fs）聚焦至1.6μm左右，產生>1022W/cm2的超高峰值光強并作用于納米靶前表面，通過激光加熱靶后表面降低質子、碳和氧對超重離子加速的抑制作用，成功獲得最高電荷態為61+、最高能量達1.2GeV/u的金離子束，將原飛秒激光金離子加速能量紀錄提高了6倍。他們提出并采用基于湯姆森離子譜儀的自校準探測方法，在無需標定實驗的情況下，不僅可以獲得準確的絕對能譜，還可以測量金離子的電荷態分布。粒子網格法模擬結果表明，不同橫向位置的金離子所經歷的電離動力學過程（起始電離時間、電離速率、最高電荷態等）存在較大差異，導致其在加速過程（相位匹配和加速效率）中的能量差異。理解超重離子的電離動力學細節，對于進一步提高離子束能量、提升束流品質有重要的意義。
▲(a)最高能量為1.2GeV的TPS實驗結果；(b)超重離子（Au）的電荷態分布：綠色為實驗結果，紅色為PIC模擬結果
強激光與等離子體相互作用中的瞬態強場（激光場、鞘層加速場等）測量長期以來一直是巨大的挑戰。該研究工作表明，利用實驗測得的金離子電荷態分布，通過單、雙層靶實驗結果對比，可以診斷靶后鞘層場的峰值強度；結合不同光強下的PIC模擬結果，可以診斷激光的峰值光強。在后續研究中，該方法有望擴展至在時間、空間兩個維度診斷瞬態強場的信息。
相關研究成果以“超短超強激光驅動的超重離子加速”（Super-heavyionsaccelerationdrivenbyultrashortlaserpulsesatultrahighintensity）為題，2021年6月3日在線發表于《物理評論X》（PhysicalReviewX,11,021049(2021)）；物理學院2016級博士研究生王鵬杰為第一作者（導師馬文君），IlWooChoi、顏學慶、ChangHeeNam和馬文君為共同通訊作者。這是該期刊所發表的第一項激光離子加速領域的研究工作。
上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京高等學校卓越青年科學家計劃、及北京市發展與改革委員會、北京市懷柔科學城、廣東省新興激光等離子體技術研究院等支持。