(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的離子。為了實現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，即使在極薄的靶區沒有等離子反射鏡，也可以實現高能離子加速，這開啟了激光驅動離子加速的新機制。