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目前科學(xué)界對激光驅(qū)動離子加速的研究，是為了研制出緊湊高效的等離子體加速器，從而為將來的癌癥治療、核聚變和高能物理研究鋪平道路。近日，大阪大學(xué)與日本國立量子科學(xué)技術(shù)研究所、神戶大學(xué)和臺灣中央大學(xué)的研究人員通過合作，在日本關(guān)西光子科學(xué)研究所用超強J-KAREN激光照射世界上最薄、最強的石墨烯靶，可以直接加速高能離子。合作項目的研究結(jié)果發(fā)表在Springer Nature、Scientific Reports上。

眾所周知，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，由于強激光的噪聲成分會在激光脈沖主峰之前破壞目標(biāo)，因此很難用極薄的靶區(qū)直接加速離子。為了用強激光實現(xiàn)有效的離子加速，有必要使用等離子體反射鏡去除噪聲成分。

因此，研究人員開發(fā)了大面積懸浮石墨烯(LSG)作為激光離子加速的目標(biāo)。石墨烯被認(rèn)為是世界上最薄、最強的二維材料，適用于激光驅(qū)動的離子源。研究團隊成員Wei-Yen Woon解釋說：“原子薄的石墨烯是透明的，高度導(dǎo)電和導(dǎo)熱，重量輕，同時也是最強的材料?！?nbsp;

迄今為止，石墨烯有著各種各樣的應(yīng)用，包括在交通、醫(yī)藥、電子和能源領(lǐng)域。研究團隊展示了石墨烯在激光離子加速領(lǐng)域的另一種顛覆性應(yīng)用，石墨烯的獨特特性發(fā)揮著不可或缺的作用。

■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(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光譜儀的堆棧探測器示意圖。(g)和(f) 分別顯示了湯姆遜拋物線光譜儀和堆棧的典型數(shù)據(jù)

LSG靶的直接輻照產(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，無需等離子體反射鏡，這表明了石墨烯的耐久性。

“這項研究的結(jié)果適用于癌癥治療、激光核聚變、高能物理和實驗室天體物理學(xué)的緊湊高效激光驅(qū)動離子加速器的開發(fā)，”研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解釋說，“在沒有等離子鏡的情況下直接加速高能離子顯示了LSG的魯棒性。”

研究團隊將使用原子薄型LSG作為目標(biāo)支架，以加速其他無法自行“站立”的材料。此外，研究人員還展示了非相對論強度下的高能離子加速，這能夠用相對較小的激光設(shè)備研究激光離子加速。即使在極薄的靶區(qū)沒有等離子體鏡也能實現(xiàn)高能離子加速?？傊?，研究項目開辟了激光驅(qū)動離子加速的新機制。