由大阪大學研究生院工學研究科的藏滿康浩教授等人組成的研究團隊，與量子科學技術研究開發機構（QST）的高級研究員福田祐仁、神戶大學研究生院海事科學研究科的金崎真聰副教授及臺灣的國立中央大學Wei-Yen Woon教授推進了聯合研究，利用自主開發的雙面均爲自由表面的大面積石墨烯（LSG）作爲全球最薄的靶材，首次在QST關西光科學研究所的光量子科學研究設施（J-KAREN雷射）實施了高能離子加速。
圖：(a)實驗概念圖。向石墨烯靶材（LSG）照射超高強度雷射J-KAREN，加速高能離子。(b)和(c)是顯示石墨烯的拉曼光譜和實際的LSG顯微照片。(d)和(e)是採用湯姆遜拋物線和固態核徑跡偵檢器等獨立方法的離子測量器概念圖，(g)和(f)是二者的典型資料。（供圖：大阪大學）
研究團隊將石墨烯固定在帶孔底座上，開發了雙面均爲自由表面的LSG。石墨烯的特性有幾種適合作爲使用高強度雷射的實驗靶材。LSG具備幾乎透明的光學特性，可以防止雷射預脈衝的熱量熔化靶材，另外還是最薄、最結實的物質，被認爲比迄今爲止的任何靶材都更能抵抗預脈衝。此外，透過重疊多層石墨烯，還能以奈米級精度控制厚度。可以低成本量產在應用方面也非常重要。
研究團隊在沒有電漿鏡的條件下用日本最高強度的J-KAREN雷射照射這種多層LSG，實施了高能離子加速。在離子測量中，利用湯姆遜拋物線和固態核徑跡偵檢器兩種獨立的方法提高了測量的可靠性。結果顯示，在沒有電漿鏡的條件下，使用2奈米厚的雙層LSG生成高能離子是迄今爲止最薄的靶材，並顯示出了LSG驚人的預脈衝耐性。
此外，從非相對論強度到相對論超高強度，從小預脈衝到大預脈衝，在不同的條件下都能穩定生成高能離子，其結果也有力地證明了LSG穩定韌性。
藏滿教授表示：「高強度雷射和石墨烯這兩個此前幾乎沒有聯繫的領域之間的合作，帶來了以前無法想像的結果。今後將發揮石墨烯薄而堅韌的特點，利用石墨烯維持其他無法獨立形成的物質的超薄膜和奈米材料等，並開發利用各種離子的加速和奈米結構的新加速方法，從能源前緣、宇宙射線的起源及高能核物理可用能等基礎研究，向癌症冶癒和核融合等應用研究邁進。」
【詞注】
■大面積石墨烯（LSG）：爲將石墨烯作爲雷射離子加速實驗的靶材使用而開發的雙面均爲自由表面的大面積石墨烯。用石墨烯蓋住數百奈米的帶孔基底層。石墨烯的理論厚度約爲0.3奈米，但由於面積達數百微米，存在輕微的撓曲和應變。LSG的厚度實測值爲每層約1奈米，透過疊加片數能以1奈米的精度控制厚度。厚度與面積比達10的5次方。
■湯姆遜拋物線：在相同方向上施加電場和磁場，根據帶電粒子的質量與電荷比測量能譜的方法。粒子的能量越大，越不容易被電場和磁場彎曲，因此可以根據未施加電場和磁場時偏差線性軌道的大小來估計能量的大小。
【論文資訊】
雜誌：Scientific Reports
論文：Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser
DOI：10.1038/s41598-022-06055-4
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
