日本國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（QST）關西光量子科學研究所（簡稱「關西研」）的福田祐仁上席研究員、大阪大學研究生院工學研究科的藏滿康浩教授、神戶大學的金崎真聰副教授的研究團隊，利用日本國內最大的超短脈衝、超高強度雷射設備「J-KAREN-P」，成功實現了碳離子的1吉電子伏特雷射加速。這一成果是通過開發並引入雷射光束圖像傳輸系統以提高激光強度、同時採用蒸鍍金石墨烯作為靶材而實現的。1吉電子伏特的能量在超短脈衝雷射碳離子加速領域中，為目前世界最高能量水平。該成果不僅有助於重粒子線癌症治療設備的大幅小型化，還有望通過實驗再現宇宙中難以直接觀測的電漿狀態等。
圖1.通過在J-KAREN-P的光束傳輸部引入圖像傳輸系統，將強度提升至以往的150%。（供圖：QST）
圖2.確立了將片狀物質的石墨烯多層疊加後鍍金,以奈米精度控制靶材厚度的方法。（供圖：QST）
圖3.QST關西研開發的超高強度雷射設備J-KAREN-P全貌。（供圖：量子科學技術研究開發機構）
福田上席研究員表示：「J-KAREN-P的光壓與太陽中心的壓力相同，因此能夠在實驗室內再現並驗證與宇宙中存在的超高溫、高密度電漿類似的電漿。例如，通過模擬超新星遺蹟附近的電漿狀態，將能夠著手開展諸如‘再現電漿磁能向被加速離子動能轉換過程’這類此前難以推進的新研究。」
在利用雷射加速離子的技術中，以薄膜為靶材的加速技術在理論上已被證實：隨著雷射能量的增大，通過減薄雷射照射的靶材厚度，可將離子加速至更高能量。為此，需要提高激光強度的同時，還要求對針對雷射條件優化後的奈米精度靶材的厚度與成分進行控制，但此前同時滿足這些要求存在難度。
QST關西研的雷射開發團隊在J-KAREN-P的雷射脈衝傳輸部開發並引入了圖像傳輸系統，成功將雷射裝置出口處的激光強度分佈無劣化地傳輸至靶材前方的聚光透鏡，在大幅改善聚光條件的同時，還實現了可傳輸的雷射脈衝能量提升至以往150%的高強度雷射照射。圖像傳輸系統的結構是在雷射裝置出口設置聚光透鏡，可穩定雷射光束的強度分佈。此次研究成功的關鍵，在於引入了大型高精度透鏡。
此外，在靶材開發方面，研究團隊確立了將大面積且厚度僅為單原子層的片狀石墨烯多層疊加後表面蒸鍍金的技術，首次成功實現了以奈米精度自由控制厚度與成分。金的原子序較大且含大量電子，可增加電漿中的電子密度，帶來增大雷射電漿加速電場強度的效果，使高能量離子加速成為可能。該過程的關鍵，在於藉助藏滿教授的技術實現了薄靶材的固定。本次實驗中，研究人員在4片石墨烯上蒸鍍了厚度為30奈米的金。藏滿教授表示：「模擬結果顯示，與僅使用石墨烯時相比，加速效果可提升至8倍；而在實驗中，我們成功實現了10倍加速。」
世界最高能量
憑藉「激光強度提升」與「靶材製作技術改進」的協同效應，研究團隊在超短脈衝雷射離子加速領域創下世界最高能量紀錄，成功實現了1吉電子伏特的碳離子加速。該成果大幅刷新了此前0.6吉電子伏特（2019年韓國創下）的紀錄。通過運用本次開發的靶材製作技術，預計隨著今後J-KAREN-P設備的性能升級，還將實現更高能量的碳離子加速。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
