質子和其他的正離子的光束有廣泛的應用，包括粒子物理、材料加工和醫學等方面。例如，質子束療法可在最小限度對周圍組織造成損傷的條件下用來摧毀一些癌性腫瘤。然而，實際使用的質子和離子束受到需要較大和昂貴的粒子加速器以產生高品質的光束源這一條件的約束阻礙。
一個可以探索的方向是激光等離子體加速，在其中是加載一個高功率的激光脈沖到目標上。這就可以創建一個其中電子和離子分離的等離子體。這就創建了一個包含加速的質子、離子和電子到很高能量的大的電場。
復雜的過程
這是一個很復雜的過程，位于德國德累斯頓馬克思·普朗克研究所的復雜系統的Felix Mackenroth解釋說：“這個光束的質量非常非常低。我們基本上是發射一束激光到一個鋁箔上，并希望有好的事發生。”
在以前的研究中，Paul McKenna和其在斯凱萊德大學的同事，以及在貝爾法斯特皇后大學和牛津郡的英國科學技術委員會盧瑟福阿普爾頓實驗室的研究人員一起，用盧瑟福阿普爾頓實驗室的雙子激光器從超薄鋁箔進行電子激光的加速。一個強大的激光脈沖從雙子激光器中發出擊中鋁箔，使其加熱，成為一個等離子體。這盤等離子體在鋁箔層相對于脈沖是透明的，研究人員能夠證明脈沖通過等離子盤即通過一個經典的孔徑后會發生衍射。此外，他們發現，從鋁箔發射的電子的圖案是取決于入射激光光的偏振態的。
水蒸氣
在這項最新的研究中，研究小組采用了一種類似的方法來加速質子的加速。盡管他們的實驗都是在真空室中進行的，水蒸氣自然凝結在箔片上，提供了一個自然的質子源。該研究小組想看看質子束的結構是否會受到光的偏振的影響。
在單獨的實驗中，研究人員用激光脈沖照射鋁箔線，即來自雙子激光器的橢圓偏振光和圓偏振光。發射出的不同能量的質子的模式明顯不同：例如在所有的偏振態中，低能量的質子都集中到中心，但橢圓偏振光和圓偏振光比線性偏振光在傳播上更為緊湊。由線偏振光產生的高能量的質子叫形成雙波瓣圖，而圓、橢圓偏振光則會形成環形密度分布。實驗觀察到的模式緊密匹配計算機模擬的結論，而存在的小的偏差完全可以理解為實驗的缺陷，研究人員解釋說明。
黑洞
該小組計劃“針對這項研究進一步進行探索，來控制的'相對論等離子光圈'，” McKenna解釋說。“這其中包括偏振控制和控制驅動激光脈沖的強度變化。”雖然工作目前處于理論研究階段，麥克納認為它最終會有控制質子束在多個應用中的沉積程度，例如放射治療，甚至在天體物理建模方面的應用，“我們正在探索其他科學領域潛在的應用，包括天體物理學相對論方面，旋轉黑洞的吸積盤產生的等離子體射流實驗模型，”他說。
其他的研究人員也對此留下了深刻的印象。“這絕對是一個重要的貢獻，” 法國巴黎高科技先進技術學校的Victor Malka表示說，“實驗數據與仿真結果的質量表明我們對這一過程有了一個很好的了解。”Felix Mackenroth說：“研究人員所擁有的這一總體思路，都是非常充分的，同時也是很重要的。”但是，質子束仍然是發散的，而在這里產生的質子的能量太低，太多的能量被分散了，不足以被直接用于醫療應用中。
這一研究發表在《自然通信》雜志上。
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