(a) 實(shí)驗示意圖。通過(guò)用超強 J-KAREN 激光照射大面積懸浮石墨烯靶 (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(lái)源：科學(xué)報告
激光驅動(dòng)離子加速已經(jīng)被用于開(kāi)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(xué)領(lǐng)導的研究團隊在日本量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)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(shí)現了直接高能離子加速，開(kāi)啟了激光驅動(dòng)離子加速的新機制。研究結果發(fā)表在自然科研旗下《科學(xué)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的離子。為了實(shí)現強激光對離子的高效加速，必須使用等離子反射鏡來(lái)去除噪聲成分。
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、最堅固的2D材料，適用于激光驅動(dòng)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(shí)也是最堅固的材料。”該研究的作者翁偉彥（音譯）解釋說(shuō)，“迄今為止，石墨烯已經(jīng)得到了廣泛的應用，包括在交通、醫藥、電子和能源等領(lǐng)域。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，其中石墨烯的獨特性發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用。
LSG靶的直接照射產(chǎn)生MeV質(zhì)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(kāi)發(fā)緊湊高效的激光驅動(dòng)離子加速器，用于癌癥治療、激光核聚變、高能物理和實(shí)驗室天體物理。高能離子在沒(méi)有等離子反射鏡的情況下直接加速，顯示了LSG的穩健性。研究人員將使用原子薄的LSG作為目標支架來(lái)加速其他無(wú)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，即使在極薄的靶區沒(méi)有等離子反射鏡，也可以實(shí)現高能離子加速，這開(kāi)啟了激光驅動(dòng)離子加速的新機制。
