北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶教授/馬文君研究員團(tuán)隊(duì)近期在激光加速重離子領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展。他們利用人工設(shè)計(jì)的雙層納米靶材，獲得了能量高達(dá)580兆電子伏特（MeV）的碳離子，將飛秒激光加速重離子能量記錄提高了兩倍。相關(guān)結(jié)果以” Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”為題發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)上（Physical Review Letters 122，014803 （2019））。

高能重離子在腫瘤治療、生物輻照、核物理與核能等領(lǐng)域有著廣泛的用途。利用超強(qiáng)飛秒脈沖激光加速重離子一直是激光加速領(lǐng)域的難點(diǎn)。之前的大量實(shí)驗(yàn)研究中，通常只能獲得最高能量為幾兆電子伏特每核子（MeV/u）的重離子。而在相同條件下，質(zhì)子可被加速至近百兆電子伏特，遠(yuǎn)高于重離子。這是因?yàn)椋行Ъ铀僦仉x子，需要將其在加速初始階段就電離到高電荷態(tài)注入到加速場(chǎng)中，并且保持足夠長(zhǎng)的加速時(shí)間。一般情況下，這兩點(diǎn)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。馬文君研究員團(tuán)隊(duì)在前期工作的基礎(chǔ)上（PRL 115, 064801 (2015)，PRL 113, 235002 (2014), Adv Mater 21(5),603 (2009), Nano Lett 7(8), 2307(2007)），設(shè)計(jì)并制備出了一種由超薄超低密度碳納米管泡沫與類(lèi)金剛石納米薄膜組成的雙層復(fù)合靶材，成功地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)條件。復(fù)合靶材在超強(qiáng)飛秒脈沖激光作用下，位于類(lèi)金剛石納米薄膜中的碳離子，先后經(jīng)歷了光壓電離注入與長(zhǎng)達(dá)數(shù)百飛秒的鞘場(chǎng)加速兩個(gè)過(guò)程，最終速度達(dá)到了光速的30%。這是首次利用超短脈沖在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了重離子的級(jí)聯(lián)加速。

圖：本研究結(jié)果（）與已有重離子加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總。

他們的理論與數(shù)值模擬工作表明，這種高效的加速方案也適用于金、釷、鈾等重離子。在現(xiàn)有激光條件下，可產(chǎn)生能量為數(shù)十兆電子伏特每核子、密度為傳統(tǒng)束流10^9倍的高能高密度重離子束流。這種高能高密度重離子束團(tuán)將為超重元素合成、短壽命核素加速、溫稠密物質(zhì)等溫加熱等重要物理難題的解決提供新的方案。，將為科學(xué)前沿領(lǐng)域及新興交叉學(xué)科的迅猛發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

馬文君研究員為論文第一作者與通訊作者。顏學(xué)慶教授與韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所的Nam，Chang Hee教授為共同通訊作者。論文主要作者還包括陳佳洱院士、賀賢土院士、M. Zepf教授, J. Schreiber教授, Kim, I Jong教授、林晨研究員、盧海洋研究員和余金清博士等。該項(xiàng)目得到國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施培育項(xiàng)目（2017ZF22）、科技部重大儀器專(zhuān)項(xiàng)、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京市卓越青年科學(xué)家等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)文章鏈接如下：

• Phys. Rev. Lett. 122, 014803 （2019）
• https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014803
• Phys. Rev. Lett. 115, 064801 (2015)
• https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.064801