對激光驅動(dòng)的離子加速的研究是為了開(kāi)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(hù)大學(xué)和臺灣中央大學(xué)的研究人員合作，報告了在日本QST的關(guān)西光子科學(xué)研究所用超強的J-KAREN激光器照射世界上最薄和最強的石墨烯靶材而直接進(jìn)行高能離子加速。
他們的研究結果發(fā)表在《Springer Nature》的《科學(xué)報告》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，由于強激光的噪聲成分在到達激光脈沖的主峰之前就破壞了目標，所以一直很難直接用極薄的靶體來(lái)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)現強激光的有效離子加速。
(a) 實(shí)驗示意圖。通過(guò)用超強的J-KAREN激光照射大面積的懸浮石墨烯目標（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(xiàn)光譜儀（TPS）的堆棧檢測器的示意圖。(g)和(f)分別顯示了TPS和堆棧的典型數據。
因此，研究人員開(kāi)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(chēng)為世界上最薄和最強的二維材料，它適合于激光驅動(dòng)的離子源。
"原子級薄的石墨烯是透明的，高度導電和導熱，而且重量輕，同時(shí)也是最強的材料，"研究作者Wei-Yen Woon解釋道。"到目前為止，石墨烯已經(jīng)得到了各種應用，包括在交通、醫藥、電子和能源方面的應用。我們展示了石墨烯在激光-離子加速領(lǐng)域的另一個(gè)顛覆性應用，其中石墨烯的獨特功能發(fā)揮了不可或缺的作用。"
直接照射LSG目標產(chǎn)生MeV質(zhì)子和碳子，從亞相對論到相對論的激光強度，從低對比度到高對比度的條件，沒(méi)有等離子體鏡，展示了石墨烯的耐久性。
"這項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)驗室天體物理學(xué)開(kāi)發(fā)緊湊和高效的激光驅動(dòng)離子加速器，"研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解釋說(shuō)。"在沒(méi)有等離子體鏡的情況下直接加速高能離子，顯然顯示了LSG的堅固性。我們將使用原子般薄的LSG作為目標支架來(lái)加速其他不能獨立存在的材料。我們還展示了非相對論強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施研究激光離子加速。此外，即使沒(méi)有等離子體鏡，在極薄的靶體下也能實(shí)現高能離子加速。這為激光驅動(dòng)的離子加速開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域"。
