目前科学界对激光驱动离子加速的研究，是为了研制出紧凑高效的等离子体加速器，从而为将来的癌症治疗、核聚变和高能物理研究铺平道路。近日，大阪大学与日本国立量子科学技术研究所、神户大学和台湾中央大学的研究人员通过合作，在日本关西光子科学研究所用超强J-KAREN激光照射世界上最薄、最强的石墨烯靶，可以直接加速高能离子。合作项目的研究结果发表在Springer Nature、Scientific Reports上。

众所周知，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，由于强激光的噪声成分会在激光脉冲主峰之前破坏目标，因此很难用极薄的靶区直接加速离子。为了用强激光实现有效的离子加速，有必要使用等离子体反射镜去除噪声成分。

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。石墨烯被认为是世界上最薄、最强的二维材料，适用于激光驱动的离子源。研究团队成员Wei-Yen Woon解释说：“原子薄的石墨烯是透明的，高度导电和导热，重量轻，同时也是最强的材料。”

迄今为止，石墨烯有着各种各样的应用，包括在交通、医药、电子和能源领域。研究团队展示了石墨烯在激光离子加速领域的另一种颠覆性应用，石墨烯的独特特性发挥着不可或缺的作用。

■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的堆栈探测器示意图。(g)和(f) 分别显示了汤姆逊抛物线光谱仪和堆栈的典型数据

LSG靶的直接辐照产生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，无需等离子体反射镜，这表明了石墨烯的耐久性。

“这项研究的结果适用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理学的紧凑高效激光驱动离子加速器的开发，”研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解释说，“在没有等离子镜的情况下直接加速高能离子显示了LSG的鲁棒性。”

研究团队将使用原子薄型LSG作为目标支架，以加速其他无法自行“站立”的材料。此外，研究人员还展示了非相对论强度下的高能离子加速，这能够用相对较小的激光设备研究激光离子加速。即使在极薄的靶区没有等离子体镜也能实现高能离子加速。总之，研究项目开辟了激光驱动离子加速的新机制。