2026年7月3日，大阪大学和日本国立量子科学技术研究所(QST)发布消息称，研究团队在高强度激光照射实验中发现了一种新的氘离子加速机制。相关成果已于5月29日发表在英国科学期刊《自然通讯》上。
实验示意图
实验由大阪大学激光工程研究所和QST研究人员合作完成。团队使用大阪大学的高强度激光装置LFEX，照射一片表面覆盖数十纳米厚重水层的铝靶。结果显示，氘离子不仅在激光照射侧被加速，而且呈现准单色特征，峰值能量最高达到约50 MeV。与以往常见的激光离子加速结果相比，这次实验中低能区离子数量很少，发散角也较小，离子主要集中在不超过10度的窄锥形区域内。
(a) 本实验中获得的氘核能谱示例。其峰值能量约为 35 MeV，半峰全宽约为 6 MeV (dE/E ~ 17%)。(b) 通过鞘层加速获得的质子能谱示例
过去20多年，激光离子加速研究主要围绕靶面法向鞘层加速和库仑爆炸两类机制展开。前者通常将离子加速到激光照射面的另一侧，后者则让离子向各个方向加速，而且两者的能量分布多为连续谱。此次实验观察到的能量分布和发射方向，与这些传统机制都有明显不同。
为解释这一现象，研究团队进行了粒子模拟计算。模拟结果显示，激光主脉冲穿过由预脉冲激发形成的低密度氘等离子体后，在金属靶表面发生反射。入射激光波与反射激光波重叠时形成干涉波，干涉波会瞬间将局部电子击出，留下带正电的氘离子。随后，正电荷之间的库仑斥力推动氘离子沿特定方向快速加速。研究团队将这一机制命名为“增强库仑爆炸”。
模拟所示的增强库仑爆炸机制的机理
研究人员认为，准单色氘离子加速有望服务于激光驱动中子源研发。例如，高能氘离子照射铍靶后可通过核反应产生中子;如果能控制氘离子能量和中子引出角，未来可能获得准单色中子脉冲。该技术还可能用于激光生产医用放射性同位素，包括与铜-64等相关的研究方向，并可为氘氘反应、氘氚反应等核聚变基础研究提供新的实验手段。
研究团队表示，入射波与反射波形成的干涉波在此次加速机制中起到了关键作用。虽然实验结果与模拟之间仍存在一些差异，例如模拟中预测会产生一定数量的低能氘离子，而实际测量中低能成分很少，但这一发现提示，现有高强度激光装置中仍可能存在尚未充分认识的离子加速机制。
