EINE MILLION ATMOSPHÄREN AUF DEM LABORTISCH

Ein Druck von einem Megabar – 100 Gigapascal, rund das Millionenfache des Atmosphärendrucks – schreibt die Regeln der Materie neu. Er kann Isolatoren in Metalle verwandeln, amorphe Festkörper in Kristalle, reaktive Stoffe in inerte. Proben langsam zwischen Diamantstempeln zusammenzupressen, liegt in der Reichweite eines einzelnen Universitätslabors. Das Megabar mit Stoßwellen zu erreichen, ist eine andere Geschichte: Dafür braucht man vor allem Laser der Kilojoule-Klasse oder Gaskanonen, die Projektile abfeuern – in nationalen Labors und Großanlagen, die wenige Schüsse pro Stunde oder pro Tag schaffen.

Lichtringe, die eine Stoßwelle bündeln

Die Gruppe von Keith Nelson am Massachusetts Institute of Technology ging gemeinsam mit Kollegen vom Army Research Laboratory, der Universität Rennes, der University of Massachusetts Amherst und dem Lawrence Livermore National Laboratory von einem bekannten Trick aus. Man formt einen Laserpuls mit einem Axicon, einem kegelförmigen Prisma, zu einem Ring und fokussiert ihn auf eine Flüssigkeitsschicht von einigen zehn Mikrometern Dicke. Der beleuchtete Ring verdampft und löst eine Stoßwelle aus, die zum Zentrum hin zusammenläuft. Während sie sich in ein immer kleineres Volumen zusammenzieht, steigt ihr Druck steil an. Für sich allein hatte dieser Ansatz einige zehn Gigapascal erreicht.

Die neue Idee: mehrere Ringe nacheinander abfeuern – zuerst den breitesten, dann kleinere, im Abstand weniger Nanosekunden. Ringgrößen und Verzögerungen sind so abgestimmt, dass jeder neue Ring genau dort aufleuchtet, wo die zusammenlaufende Stoßwelle gerade vorbeikommt – eine Bedingung der „Geschwindigkeitsanpassung“. Jeder Ring verstärkt dann dieselbe Stoßfront, statt eine eigene auszulösen.

Vier Pulse aus einem Laser

Ein einziger Laser (1.064 nm, Pulse von 200 Pikosekunden, maximal 100 Millijoule) wird in vier Pulse aufgeteilt, die jeweils um etwa 10 Nanosekunden verzögert sind, und jeder durchläuft ein eigenes Axicon-Paar. Auf der Probe haben die Ringe Radien von 169, 134, 105 und 75 Mikrometern; die gemessenen Verzögerungen zwischen ihnen betrugen 11,1, 10,7 und 9,2 Nanosekunden. Das Ziel ist eine 25 Mikrometer dicke Wasserschicht, die mit 5 % handelsüblicher schwarzer Tinte (Kohlenstoff-Nanopartikel) eingefärbt und zwischen zwei Saphirfenstern eingeklemmt ist.

Eine Schmierbildkamera (Streak-Kamera) verfolgt die Stoßwelle entlang einer Linie durch das Zentrum. Mit einem einzigen Ring erreicht sie den Fokus in etwa 62 Nanosekunden. Mit jedem zusätzlichen Ring wird der Weg über die letzten rund 160 Mikrometer kürzer: Die Stoßwelle bewegt sich schneller, ist also stärker. Der Aufbau schaffte etwa einen Schuss pro Minute, begrenzt durch das Verschieben der Probe von Hand; rund 1.000 verwertbare Schüsse kamen zusammen.

400 Gigapascal – berechnet, noch nicht gemessen

Der Druck selbst wird nicht gemessen. Das Team führte hydrodynamische Simulationen mit denselben Ringgrößen und Verzögerungen durch und passte nur einen einzigen Parameter an – die Energie, die jeder Ring tatsächlich deponiert –, bis die simulierte Stoßbahn mit der gemessenen übereinstimmte. Die beste Übereinstimmung ergab sich bei etwa 2 Millijoule pro Ring, bei 4,5 eingestrahlten. Die Simulation liefert dann die Bedingungen nahe dem Fokus: mehr als 400 Gigapascal in 1 Mikrometer Abstand vom Zentrum, eine Dichte von 4 Gramm pro Kubikzentimeter und etwa 5.700 Kelvin.

Der Gewinn ist mehr als additiv. In den Simulationen würden die vier Ringe, einzeln abgefeuert, Spitzendrücke erreichen, die zusammen nur 280 Gigapascal ergeben; nacheinander abgefeuert, kommen sie auf etwa 420. Die Autoren beschreiben den Spitzendruck in Abhängigkeit von der Zahl der Ringe mit einer phänomenologischen Kurve, P = a·exp(N/b) + c, und betonen, dass es sich um eine Beschreibung über den kleinen untersuchten Bereich handelt, nicht um ein universelles Gesetz.

Ein seltsames Detail bleibt ungeklärt. Noch bevor die Stoßwelle eintrifft, verdunkelt sich das Zentrum der Probe, etwa 30 Nanosekunden nach dem Laserschuss – eine Geschwindigkeit, die zu Rayleigh-Wellen im Saphir passt. Ihr Ursprung bleibt künftigen Arbeiten überlassen.

Das Kleingedruckte

Die Autoren benennen die Grenzen selbst. Die Megabar-Aussage beruht auf einer Simulation, nicht auf einer direkten Druckmessung. Die für Wasser und Saphir verwendeten Zustandsgleichungen stammen aus internen Livermore-Berichten, nicht aus öffentlichen, begutachteten Quellen; die absolute Druckskala lässt sich daher nicht unabhängig überprüfen. Die Anpassung nutzt einen freien Parameter und den stärksten Schuss, und die Simulationen setzen perfekte Kreissymmetrie voraus; das Team schätzt den realen Brennfleck auf unter 5 Mikrometer, und auch 5 Mikrometer vom Zentrum entfernt liefert die Simulation noch Megabar-Drücke.

Der nächste Schritt ist, den Fokus direkt zu vermessen, etwa mit Röntgenstrahlen, die die Dichte der Probe sichtbar machen. Die Autoren sehen zudem Spielraum nach oben: mehr Ringe, mehr Energie, eine klügere Aufteilung dieser Energie auf die Ringe – und, indem man die Ringe absichtlich zeitlich versetzt, eine Folge sanfterer Stöße, die Materie zusammendrücken und dabei weniger erhitzen könnten.