在醫學、微電子等領域，質子束的應用前景廣闊，但產生超快、高能質子束卻面臨諸多挑戰。如今，科學家們開發出一種突破性方法，利用高重復率激光等離子加速器產生快速、明亮的質子束，且這一切的助力竟是一股水流。

    質子束是高速帶電粒子流，能將能量精準沉積在特定位置，精度遠超X射線等其他來源，在治療腫瘤、蝕刻微芯片和半導體特征等方面極具價值。然而，傳統粒子加速器如同步加速器，依靠電磁鐵加速、控制和聚焦粒子束，體積龐大限制了其在工業和臨床的應用。激光等離子加速器（LPA）應運而生，它用高強度激光撞擊目標產生帶電粒子束，速度可媲美傳統加速器，但距離僅為其一小部分，有望成為緊湊、經濟高效的質子束生成方式。不過，技術挑戰接踵而至：高強度激光每次脈沖后會摧毀目標，需更換新目標，效率低下；且LPA產生的質子束通常發散嚴重，像泛光燈般散開，難以保持狹窄焦點。

    在STFC盧瑟福阿普爾頓實驗室的中央激光設施中，研究人員測試了由SLAC研究人員開發的新靶，以解決更換靶的低效率問題。他們創新性地引入一層薄薄的水，形成自補充水膜靶。當激光照射到水面上時，產生預期的質子束。更令人驚喜的是，蒸發的水在靶周圍形成蒸汽云，與質子束相互作用產生磁場，自然聚焦光束，使其更亮、更緊密對齊。與固體靶實驗相比，水片將質子束發散度降低一個數量級，效率提高一百倍，且質子束在數百次激光發射中表現出非凡穩定性，以每秒五個脈沖的速度運行。

    這一突破改變了LPA技術范式，研究人員不再完全依賴模擬，可從實驗角度推動物理研究，測試不同激光強度、目標密度和環境壓力等。質子束每次發射持續釋放相當于40格雷的輻射劑量，是質子治療中標準劑量，而在此重復率下運行的LPA從未達到過。此外，這些成果是使用低能激光系統實現的，標志著LPA在醫學和工業實際應用方面取得重大進步。

    這項發表在《自然通訊》上的研究，為相對論高功率激光器在醫學、加速器研究和慣性聚變領域的新應用鋪平了道路，有望推動相關技術邁向更廣闊的應用前景。