目前科學界對激光驅動離子加速的研究，是為(wei) 了研製出緊湊高效的等離子體(ti) 加速器，從(cong) 而為(wei) 將來的癌症治療、核聚變和高能物理研究鋪平道路。近日，大阪大學與(yu) 日本國立量子科學技術研究所、神戶大學和台灣中央大學的研究人員通過合作，在日本關(guan) 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(zhong) 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，由於(yu) 強激光的噪聲成分會(hui) 在激光脈衝(chong) 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(wei) 了用強激光實現有效的離子加速，有必要使用等離子體(ti) 反射鏡去除噪聲成分。

因此，研究人員開發了大麵積懸浮石墨烯(LSG)作為(wei) 激光離子加速的目標。石墨烯被認為(wei) 是世界上最薄、最強的二維材料，適用於(yu) 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(wei) 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激光照射大麵積懸浮石墨烯靶(LSG)，產(chan) 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(yi) 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(yi) 和堆棧的典型數據

LSG靶的直接輻照產(chan) 生MeV質子和碳，從(cong) 亞(ya) 相對論到相對論激光強度，從(cong) 低對比度到高對比度，無需等離子體(ti) 反射鏡，這表明了石墨烯的耐久性。

“這項研究的結果適用於(yu) 癌症治療、激光核聚變、高能物理和實驗室天體(ti) 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(wei) 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(ti) 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製。