目前科學界對激光驅動離子加速的研究，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，大阪大學與日本國立量子科學技術研究所、神戶大學和臺灣中央大學的研究人員通過合作，在日本關西光子科學研究所用超強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。合作項目的研究結果發表在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，因此很難用極薄的靶區直接加速離子。為了用強激光實現有效的離子加速，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。石墨烯被認為是世界上最薄、最強的二維材料，適用于激光驅動的離子源。研究團隊成員Wei-Yen Woon解釋說：“原子薄的石墨烯是透明的，高度導電和導熱，重量輕，同時也是最強的材料。”
迄今為止，石墨烯有著各種各樣的應用，包括在交通、醫藥、電子和能源領域。研究團隊展示了石墨烯在激光離子加速領域的另一種顛覆性應用，石墨烯的獨特特性發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據
LSG靶的直接輻照產生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，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的緊湊高效激光驅動離子加速器的開發，”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備研究激光離子加速。即使在極薄的靶區沒有等離子體鏡也能實現高能離子加速。總之，研究項目開辟了激光驅動離子加速的新機制。
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