亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 在激光等离子体加速方面取得了重大进展。通过采用创新方法，研究团队成功大幅超越了质子加速的先前记录。他们首次实现了迄今为止似乎只有在更大型的设施中才能实现的能量。正如研究小组在《自然物理学》杂志(DOI: 10.1038/s41567-024-02505-0) 上报告的那样，在医学和材料科学领域有希望的应用现在变得更加可能。

激光等离子体加速开辟了有趣的前景：与传统加速器相比，它有望实现更紧凑、更节能的设施——因为新技术不是使用强大的无线电波来移动粒子，而是使用激光来加速它们。其原理是极短但高强度的激光脉冲照射在薄如晶片的箔片上。光将材料加热到如此程度，以至于无数电子从中逸出，而原子核则保持原位。由于电子带负电而原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成强电场。该电场可以将质子脉冲弹射到仅几微米的距离，达到使用传统加速器技术需要更长距离才能达到的能量。

然而，这项技术仍处于研究阶段：到目前为止，只有使用世界上仅有的几台超大型激光系统才能实现高达 100 MeV 的质子能量。为了使用较小的激光设备和较短的脉冲实现类似的高加速器能量，HZDR 物理学家 Karl Zeil 和 Tim Ziegler 团队采用了一种新方法。他们利用了激光闪光的一种通常被视为缺陷的特性：“脉冲的能量不会立即发挥作用，这应该是理想情况，”Ziegler 报告说。“相反，一小部分激光能量会像先锋一样冲到脉冲前面。”

突然透明

在新概念中，这种冲在前面的光起着关键作用。当它撞击真空室中特制的塑料箔时，它可以以特定的方式改变它：“箔在光的影响下膨胀，变得越来越热，越来越薄，”齐格勒解释说。“箔在加热过程中有效地熔化。”这对紧随其后的初级脉冲产生了积极影响：箔原本会大量反射光线，突然变得透明，这使得初级脉冲能够比之前的实验更深入地穿透材料。

“结果是，材料中触发了复杂的级联加速机制，”Ziegler 说道，“导致薄膜中所含质子的加速速度远高于我们的 DRACO 激光器。”具体数字为：该设备之前产生的质子能量约为 80 MeV，而现在可产生 150 MeV，几乎翻了一番。为了实现这一记录，该团队必须进行一系列实验，以接近完美的相互作用参数，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析测量数据时，研究小组发现加速粒子束还有另一个令人欣喜的特性：高能质子的能量分布较窄，也就是说，它们的速度大致相同，这对于以后的应用来说是一个有利的特征，高且均匀的质子能量对以后的应用极为有益。