مليون ضغط جوي على طاولة مختبر

ضغط ميغابار واحد — أي 100 غيغاباسكال، أو نحو مليون ضعف الضغط الجوي — يعيد كتابة قواعد المادة. فهو قادر على تحويل العوازل إلى معادن، والمواد الصلبة غير المتبلورة إلى بلورات، والمواد النشطة كيميائيًا إلى مواد خاملة. أما ضغط العينات ببطء بين سندانين من الماس فهو في متناول مختبر جامعي واحد. لكن بلوغ الميغابار بـموجات الصدمة قصة أخرى: فهو يعتمد أساسًا على ليزرات من فئة الكيلوجول أو مدافع غازية تطلق مقذوفات، في مختبرات وطنية ومنشآت كبرى لا تنجز إلا بضع طلقات في الساعة، أو في اليوم.

حلقات من الضوء تركّز الصدمة

انطلقت مجموعة كيث نيلسون (Keith Nelson) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مع زملاء من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي وجامعة رين وجامعة ماساتشوستس في أمهرست ومختبر لورنس ليفرمور الوطني، من حيلة معروفة: تشكيل نبضة ليزر على هيئة حلقة بواسطة أكسيكون (axicon)، وهو منشور مخروطي الشكل، ثم تركيزها على طبقة سائلة سمكها بضع عشرات من الميكرونات. تتبخر الحلقة المضاءة وتطلق موجة صدمة تتقارب نحو المركز. وكلما انكمشت في حجم أصغر فأصغر، ارتفع ضغطها بحدة. وبهذا النهج وحده كان قد تحقق ضغط يبلغ عشرات الغيغاباسكالات.

الفكرة الجديدة هي إطلاق عدة حلقات، واحدة تلو الأخرى: الأعرض أولًا، ثم الأصغر، بفارق بضع نانوثوانٍ بينها. تُضبط أحجام الحلقات والتأخيرات بحيث تضيء كل حلقة جديدة بالضبط حيث تمرّ الصدمة المتقاربة — وهو شرط «مطابقة السرعة». وهكذا تضيف كل حلقة دفعتها إلى جبهة الصدمة نفسها بدلًا من إطلاق صدمة منفصلة.

أربع نبضات من ليزر واحد

يُقسَم ليزر واحد (1,064 نانومترًا، نبضات مدتها 200 بيكوثانية، بحد أقصى 100 ميليجول) إلى أربع نبضات تتأخر كلٌّ منها نحو 10 نانوثوانٍ، وتمر كل نبضة عبر زوج خاص بها من الأكسيكونات. على العينة، تبلغ أنصاف أقطار الحلقات 169 و134 و105 و75 ميكرومترًا؛ وكانت التأخيرات المقيسة بينها 11.1 و10.7 و9.2 نانوثانية. والهدف طبقة من الماء سمكها 25 ميكرومترًا عُتِّمت بإضافة 5% من حبر أسود تجاري (جسيمات نانوية من الكربون)، ومحصورة بين نافذتين من الياقوت.

تتتبع كاميرا خطّية (streak camera) الصدمة على امتداد خط يمرّ بالمركز. مع حلقة واحدة، تبلغ الصدمة البؤرة في نحو 62 نانوثانية. ومع كل حلقة مضافة، يقصر زمن قطع آخر 160 ميكرومترًا تقريبًا: فالصدمة تتحرك أسرع، أي أنها أقوى. كان الجهاز يطلق نحو طلقة واحدة في الدقيقة، ويحدّ من ذلك تحريك العينة يدويًا؛ وقد سُجِّلت نحو 1,000 طلقة مفيدة.

400 غيغاباسكال — محسوبة، لم تُقَس بعد

الضغط نفسه لم يُقَس. أجرى الفريق محاكاة هيدروديناميكية بأحجام الحلقات والتأخيرات نفسها، معدّلًا معاملًا واحدًا فقط — الطاقة التي تودعها كل حلقة فعليًا — حتى تطابق مسار الصدمة المحاكى مع المسار المقيس. وجاء أفضل تطابق عند نحو 2 ميليجول لكل حلقة، مقابل 4.5 ميليجول ساقطة. ثم تعطي المحاكاة الظروف قرب البؤرة: أكثر من 400 غيغاباسكال على بُعد 1 ميكرومتر من المركز، وكثافة 4 غرامات لكل سنتيمتر مكعب، ونحو 5,700 كلفن.

والمكسب أكبر من مجرد الجمع. ففي المحاكاة، لو أُطلقت الحلقات الأربع كلٌّ على حدة لبلغت ضغوطًا قصوى لا يتجاوز مجموعها 280 غيغاباسكال؛ أما إطلاقها بالتتابع فيبلغ نحو 420. يطابق المؤلفون الضغط الأقصى مقابل عدد الحلقات بمنحنى ظاهراتي، P = a·exp(N/b) + c، ويؤكدون أنه وصف للمدى الصغير المستكشَف، لا قانون كوني.

وتبقى تفصيلة غريبة بلا تفسير. فقبل وصول الصدمة، يُظلِم مركز العينة بعد نحو 30 نانوثانية من إطلاق الليزر — بسرعة تتوافق مع موجات رايلي في الياقوت. وتُرك تفسير مصدرها لأعمال مستقبلية.

التفاصيل الدقيقة

يبيّن المؤلفون الحدود بأنفسهم. فادعاء الميغابار يعتمد على المحاكاة، لا على قياس مباشر للضغط. ومعادلات الحالة المستخدمة للماء والياقوت مأخوذة من تقارير داخلية لمختبر ليفرمور، لا من مصادر عامة محكَّمة، فلا يمكن التحقق من مقياس الضغط المطلق على نحو مستقل. وتستخدم المطابقة معاملًا حرًّا واحدًا وأقوى طلقة، وتفترض المحاكاة تناظرًا دائريًا تامًّا؛ ويقدّر الفريق أن البقعة البؤرية الحقيقية أصغر من 5 ميكرومترات، ولا تزال المحاكاة تعطي ضغوطًا ميغابارية على بُعد 5 ميكرومترات من المركز.

الخطوة التالية هي قياس البؤرة مباشرة، مثلًا بالأشعة السينية التي تكشف كثافة العينة. ويرى المؤلفون أيضًا مجالًا للتوسع: حلقات أكثر، وطاقة أكبر، وتوزيع أذكى لتلك الطاقة بين الحلقات — ومن خلال الإخلال المتعمد بتوقيت الحلقات، سلسلة من الصدمات الألطف يمكنها ضغط المادة مع تسخينها بقدر أقل.