石墨烯和强激光组合打开了极高能离子加速的大门

对激光驱动的离子加速的研究是为了开发一种紧凑和高效的基于等离子体的加速器，它适用于癌症治疗、核聚变和高能物理。大阪大学的研究人员与日本国家量子科学技术研究所（QST）、神户大学和台湾中央大学的研究人员合作，报告了在日本QST的关西光子科学研究所用超强的J-KAREN激光器照射世界上最薄和最强的石墨烯靶材而直接进行高能离子加速。

他们的研究结果发表在《Springer Nature》的《科学报告》上。

在激光离子加速理论中，更薄的靶材需要更高的离子能量。然而，由于强激光的噪声成分在到达激光脉冲的主峰之前就破坏了目标，所以一直很难直接用极薄的靶体来加速离子。在这种状况下有必要使用等离子体反射镜，它可以消除噪声成分，以实现强激光的有效离子加速。

(a) 实验示意图。通过用超强的J-KAREN激光照射大面积的悬浮石墨烯目标（LSG），产生高能离子。(b）和（c）分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像。(d)和(e)分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪（TPS）的堆栈检测器的示意图。(g)和(f)分别显示了TPS和堆栈的典型数据。

因此，研究人员开发了大面积悬浮石墨烯（LSG）作为激光离子加速的目标。石墨烯被称为世界上最薄和最强的二维材料，它适合于激光驱动的离子源。

“原子级薄的石墨烯是透明的，高度导电和导热，而且重量轻，同时也是最强的材料，”研究作者Wei-Yen Woon解释道。”到目前为止，石墨烯已经得到了各种应用，包括在交通、医药、电子和能源方面的应用。我们展示了石墨烯在激光-离子加速领域的另一个颠覆性应用，其中石墨烯的独特功能发挥了不可或缺的作用。”

直接照射LSG目标产生MeV质子和碳子，从亚相对论到相对论的激光强度，从低对比度到高对比度的条件，没有等离子体镜，展示了石墨烯的耐久性。

“这项研究的成果适用于为癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理学开发紧凑和高效的激光驱动离子加速器，”研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解释说。”在没有等离子体镜的情况下直接加速高能离子，显然显示了LSG的坚固性。我们将使用原子般薄的LSG作为目标支架来加速其他不能独立存在的材料。我们还展示了非相对论强度下的高能离子加速。这将使我们能够用相对较小的激光设施研究激光离子加速。此外，即使没有等离子体镜，在极薄的靶体下也能实现高能离子加速。这为激光驱动的离子加速开辟了一个新的领域”。