對激光驅動的離子加速的研究是為了開發(fā)一種緊湊和高效的基于等離子體的加速器，它適用于癌癥治療、核聚變和高能物理。大阪大學的研究人員與日本國家量子科學技術研究所（QST）、神戶大學和臺灣中央大學的研究人員合作，報告了在日本QST的關西光子科學研究所用超強的J-KAREN激光器照射世界上最薄和最強的石墨烯靶材而直接進行高能離子加速。

他們的研究結果發(fā)表在《Springer Nature》的《科學報告》上。

在激光離子加速理論中，更薄的靶材需要更高的離子能量。然而，由于強激光的噪聲成分在到達激光脈沖的主峰之前就破壞了目標，所以一直很難直接用極薄的靶體來加速離子。在這種狀況下有必要使用等離子體反射鏡，它可以消除噪聲成分，以實現(xiàn)強激光的有效離子加速。

(a) 實驗示意圖。通過用超強的J-KAREN激光照射大面積的懸浮石墨烯目標（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(tài)路徑跟蹤器和湯姆遜拋物線光譜儀（TPS）的堆棧檢測器的示意圖。(g)和(f)分別顯示了TPS和堆棧的典型數(shù)據(jù)。

因此，研究人員開發(fā)了大面積懸浮石墨烯（LSG）作為激光離子加速的目標。石墨烯被稱為世界上最薄和最強的二維材料，它適合于激光驅動的離子源。

"原子級薄的石墨烯是透明的，高度導電和導熱，而且重量輕，同時也是最強的材料，"研究作者Wei-Yen Woon解釋道。"到目前為止，石墨烯已經得到了各種應用，包括在交通、醫(yī)藥、電子和能源方面的應用。我們展示了石墨烯在激光-離子加速領域的另一個顛覆性應用，其中石墨烯的獨特功能發(fā)揮了不可或缺的作用。"

直接照射LSG目標產生MeV質子和碳子，從亞相對論到相對論的激光強度，從低對比度到高對比度的條件，沒有等離子體鏡，展示了石墨烯的耐久性。

"這項研究的成果適用于為癌癥治療、激光核聚變、高能物理和實驗室天體物理學開發(fā)緊湊和高效的激光驅動離子加速器，"研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解釋說。"在沒有等離子體鏡的情況下直接加速高能離子，顯然顯示了LSG的堅固性。我們將使用原子般薄的LSG作為目標支架來加速其他不能獨立存在的材料。我們還展示了非相對論強度下的高能離子加速。這將使我們能夠用相對較小的激光設施研究激光離子加速。此外，即使沒有等離子體鏡，在極薄的靶體下也能實現(xiàn)高能離子加速。這為激光驅動的離子加速開辟了一個新的領域"。