(a) 实验示意图。通过用超强 J-KAREN 激光照射大面积悬浮石墨烯靶 (LSG)，产生高能离子。(b) 和 (c) 分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像。(d) 和 (e) 分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪 (TPS) 的堆栈探测器示意图。(g) 和 (f) 分别显示了 TPS 和堆栈的典型数据。图片来源：科学报告
激光驱动离子加速已经被用于开发一种紧凑而高效的等离子体加速器，该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机构用超强J-KAREN激光照射世界上最薄、最强的石墨烯靶材，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。研究结果发表在自然科研旗下《科学报告》杂志上。
在激光离子加速理论中，更高的离子能量需要更薄的靶材。然而，由于强激光的噪声分量在激光脉冲主峰之前破坏了目标，因此很难直接加速极薄靶区的离子。为了实现强激光对离子的高效加速，必须使用等离子反射镜来去除噪声成分。
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、最坚固的2D材料，适用于激光驱动的离子源。
“原子薄的石墨烯是透明的，具有高导电性和导热性，重量轻，同时也是最坚固的材料。”该研究的作者翁伟彦（音译）解释说，“迄今为止，石墨烯已经得到了广泛的应用，包括在交通、医药、电子和能源等领域。我们展示了石墨烯在激光离子加速领域的另一个颠覆性应用，其中石墨烯的独特性发挥着不可或缺的作用。
LSG靶的直接照射产生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，不需要等离子反射镜，这表明了石墨烯的耐久性。
研究人员表示，这项研究的结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。高能离子在没有等离子反射镜的情况下直接加速，显示了LSG的稳健性。研究人员将使用原子薄的LSG作为目标支架来加速其他无法自行承受的材料，他们还展示了非相对论强度下的高能离子加速。此外，即使在极薄的靶区没有等离子反射镜，也可以实现高能离子加速，这开启了激光驱动离子加速的新机制。
