由大阪大学研究生院工学研究科的藏满康浩教授等人组成的研究团队，与量子科学技术研究开发机构（QST）的高级研究员福田祐仁、神户大学研究生院海事科学研究科的金崎真聪副教授及台湾的国立中央大学Wei-Yen Woon教授推进了联合研究，利用自主开发的双面均为自由表面的大面积石墨烯（LSG）作为全球最薄的靶材，首次在QST关西光科学研究所的光量子科学研究设施（J-KAREN激光）实现了高能离子加速。
图：(a)实验概念图。向石墨烯靶材（LSG）照射超高强度激光J-KAREN，加速高能离子。(b)和(c)是显示石墨烯的拉曼光谱和实际的LSG显微照片。(d)和(e)是采用汤姆逊抛物线和固体核径迹探测器等独立方法的离子测量器概念图，(g)和(f)是二者的典型数据。（供图：大阪大学）
研究团队将石墨烯固定在带孔底座上，开发了双面均为自由表面的LSG。石墨烯的特性有几种适合作为使用高强度激光的实验靶材。LSG具备几乎透明的光学特性，可以防止激光预脉冲的热量熔化靶材，另外还是最薄、最结实的物质，被认为比迄今为止的任何靶材都更能抵抗预脉冲。此外，通过重叠多层石墨烯，还能以纳米级精度控制厚度。可以低成本大量生产在应用方面也非常重要。
研究团队在没有等离子体镜的条件下用日本最高强度的J-KAREN激光照射这种多层LSG，实现了高能离子加速。在离子测量中，利用汤姆逊抛物线和固体核径迹探测器两种独立的方法提高了测量的可靠性。结果显示，在没有等离子体镜的条件下，使用2纳米厚的双层LSG生成高能离子是迄今为止最薄的靶材，并显示出了LSG惊人的预脉冲耐性。
此外，从非相对论强度到相对论超高强度，从小预脉冲到大预脉冲，在不同的条件下都能稳定生成高能离子，其结果也有力地证明了LSG稳定韧性。
藏满教授表示：“高强度激光和石墨烯这两个此前几乎没有联系的领域之间的合作，带来了以前无法想象的结果。今后将发挥石墨烯薄而坚韧的特点，利用石墨烯维持其他无法独立形成的物质的超薄膜和纳米材料等，并开发利用各种离子的加速和纳米结构的新加速方法，从能源前沿、宇宙射线的起源及高能核物理等基础研究，向癌症治疗和核聚变等应用研究迈进。”
【词注】
■大面积石墨烯（LSG）：为将石墨烯作为激光离子加速实验的靶材使用而开发的双面均为自由表面的大面积石墨烯。用石墨烯盖住数百纳米的带孔基板。石墨烯的理论厚度约为0.3纳米，但由于面积达数百微米，存在轻微的挠曲和应变。LSG的厚度实测值为每层约1纳米，通过叠加片数能以1纳米的精度控制厚度。厚度与面积比达10的5次方。
■汤姆逊抛物线：在相同方向上施加电场和磁场，根据带电粒子的质量与电荷比测量能谱的方法。粒子的能量越大，越不容易被电场和磁场弯曲，因此可以根据未施加电场和磁场时偏离线性轨道的大小来估计能量的大小。
【论文信息】
杂志：Scientific Reports
论文：Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser
DOI：10.1038/s41598-022-06055-4
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
