Scientific Reports：石墨烯+强激光组合实现极高能离子加速

研究人员 们对激光驱动离子加速技术的研究进行已久，以期能将其用于研发小型、高效的等离子体加速器、并将小型加速器用于癌症治疗、核聚变和高能物理相关研究中。大阪大学、国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（QST）、神户大学和台湾中央大学的研究人员合作，提出了一种通过关西光子科学研究所的超强J-KAREN照射世界上最薄、强度最高的石墨烯靶、实现直接能量离子加速的技术。此项成果发表在Nature集团旗下期刊Scientific Reports上。

根据激光驱动离子加速技术的理论，实现更高离子能量需要更薄的靶向目标。然而在靶向目标极薄的情况下，强激光的噪声会在激光脉冲的主峰到达前破坏目标，所以直接对极薄的靶向目标离子加速是非常困难的；因此在强激光实现高效离子加速时，必须使用等离子体反射镜去除噪声成分。

图1 (a)实验示意图：使用超强J-KAREN激光照射大面积悬浮石墨烯靶向目标，产生高能离子。图(b)、(c)：分别为石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像。图(d)、(e)：分别为使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪（TPS）的叠加探测器示意图。图(g)、(f)：分别为汤姆逊抛物线光谱仪和叠加探测器的数据

为此，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靶向目标。石墨烯被认为是世界上最薄、最强的二维材料，很适合作为激光驱动离子源。

“原子层厚度的石墨烯是透明的，导电、导热性能好、重量轻，同时也是强度最高的材料，”文章作者Wei-Yen Woon解释说。“目前，石墨烯已在交通、医疗、电子和能源等领域有了各种各样的应用；而我们研究中又证实了石墨烯在激光离子加速领域的另一颠覆性应用，石墨烯独一无二的特性在其中发挥了不可或缺的作用。”

在没有等离子体反射镜的情况下， 从亚相对论到相对论强度激光直接照射LSG靶产生的MeV级质子和碳原子，有力证明了石墨烯的耐久性。

“此项研究结果可用于开发用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理的小型、高效的激光驱动离子加速器，”研究的第一作者Kuramitsu解释说。

“（本项研究）在不使用等离子体反射镜的情况下直接实现高能离子直接加速，证明了LSG的稳定性；下一步，我们将使用原子厚度的LSG作为靶座，来加速其他无法单独作为靶向目标的材料。实验中还实现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小型的激光设备来研究激光离子加速；此外，在靶向目标极薄的情况下，即使不借助等离子体反射镜，也能实现高能离子加速。综合这几点，此项研究将开启激光驱动离子加速技术崭新的大门。”

文章见：Y. Kuramitsu et al, Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser, Scientific Reports (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4。