石墨烯和强激光辐照有望实现“离子加速”

2022-02-21 18:55

激光驱动的离子加速被认为是一种发展紧凑和高效的等离子体加速器的途径，适用于癌症治疗、核聚变和高能物理等多种领域。

近日，日本大阪大学的研究人员与国家量子科学与技术研究院(QST)、日本神户大学和台湾国立中央大学的合作伙伴们，日本关西光子科学研究所(QST)的J -凯伦激光器(J-KAREN laser)对他们称之为“世界上最薄、最强的石墨烯靶”进行了直接高能离子加速。

这项研究发表在本周的《自然·科学报告》（Nature·Scientific Reports）上。

在激光离子加速理论中，靶体越薄，离子能量越高。然而，研究人员说，由于强激光的噪声成分会在激光脉冲的主峰之前摧毁目标，因此在极薄的目标区直接加速离子一直是困难的。因此，有必要使用等离子体反射镜去除噪声成分，以实现高强度激光的高效离子加速。

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2D材料，适用于激光驱动离子源。

该研究的作者Wei-Yen Woon评论说:“石墨烯的原子薄层是透明的，导电和导热性强，重量轻，同时也是最强的材料。”“到目前为止，石墨烯已经有了各种各样的应用，包括交通、医疗、电子和能源。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，其中石墨烯的独特特性发挥了不可或缺的作用。”

在没有等离子体反射镜的情况下，直接照射LSG靶产生的MeV质子和碳，从亚相对论性激光强度到相对论性激光强度，从低对比度到高对比度，明显显示了石墨烯的耐久性。

“这项研究的结果适用于开发用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理的紧凑、高效的激光驱动离子加速器。”

“在没有等离子体反射镜的情况下，高能离子的直接加速明显显示了LSG的稳健性。我们将使用原子薄LSG作为靶座来加速其他不能独立存在的材料。我们还展示了非相对论强度下的高能离子加速度。这将使我们能够用相对较小的激光设备来研究激光离子加速。此外，即使在极薄的靶区没有等离子体反射镜，也能实现高能离子加速。这开启了激光驱动离子加速的新领域。”