超强激光辐照石墨烯的高能离子加速

激光驱动离子加速已被用于发展一种紧凑高效的等离子体加速器，可应用于癌症治疗、核聚变和高能物理。近日，日本大阪大学领导的研究团队在日本量子科学技术研究开发所用超级J-KAREN激光辐照了世界上最薄最强的石墨烯靶，从而实现了直接高能离子加速，开启了激光驱动离子加速的新机制。研究成果发表在《自然科学研究》杂志《科学报告》上。

在激光离子加速理论中，更高的离子能量需要更薄的靶。但由于强激光的噪声成分在激光脉冲主峰之前就破坏了靶，很难直接加速极薄靶区的离子。为了通过强激光有效地加速离子，必须使用等离子体镜来去除噪声成分。

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、最强的2D材料，适用于激光驱动离子源。

“原子薄的石墨烯是透明的，具有高导电性和导热性，重量轻，同时也是最强的材料。”这项研究的作者翁韦偃解释说，“到目前为止，石墨烯已经得到了广泛的应用，包括在交通运输、医药、电子和能源领域。我们展示了石墨烯在激光离子加速领域的又一次颠覆性应用，其中石墨烯的独特性起到了不可或缺的作用。

LSG靶直接辐照产生MeV质子和碳，从亚相对论到相对论激光强度，从低对比度到高对比度，没有等离子体镜，可见石墨烯的耐久性。

研究人员表示，这项研究成果适用于开发紧凑高效的激光驱动离子加速器，用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理。高能离子不需要等离子体镜直接加速，可见LSG的鲁棒性。研究人员将以原子薄LSG为靶支撑，加速其他自身无法承受的材料。他们还证明了高能离子在非相对论强度下的加速。此外，即使极薄的靶区没有等离子体镜，也能实现高能离子加速，开辟了激光驱动离子加速的新机制。