UN MILLÓN DE ATMÓSFERAS SOBRE UNA MESA DE LABORATORIO
Una presión de un megabar —100 gigapascales, aproximadamente un millón de veces la presión atmosférica— reescribe las reglas de la materia. Puede convertir aislantes en metales, sólidos amorfos en cristales, sustancias reactivas en inertes. Comprimir muestras lentamente entre yunques de diamante está al alcance de un solo laboratorio universitario. Alcanzar el megabar con ondas de choque es otra historia: depende sobre todo de láseres de la clase del kilojulio o de cañones de gas que disparan proyectiles, en laboratorios nacionales y grandes instalaciones que consiguen unos pocos disparos por hora, o por día.
Anillos de luz que enfocan un choque
El grupo de Keith Nelson en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, con colegas del Laboratorio de Investigación del Ejército, la Universidad de Rennes, la Universidad de Massachusetts Amherst y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, partió de un truco conocido. Se da forma de anillo a un pulso láser con un axicón, un prisma cónico, y se enfoca sobre una capa de líquido de unas decenas de micras de espesor. El anillo iluminado se vaporiza y lanza una onda de choque que converge hacia el centro. A medida que se encoge en un volumen cada vez más pequeño, su presión aumenta bruscamente. Por sí solo, este método había alcanzado decenas de gigapascales.
La idea nueva es disparar varios anillos, uno tras otro: primero el más ancho y después otros más pequeños, separados por unos pocos nanosegundos. Los tamaños de los anillos y los retardos se ajustan para que cada nuevo anillo se encienda justo donde está pasando el choque convergente: una condición de «ajuste de velocidad». Así, cada anillo suma su empuje al mismo frente de choque en lugar de lanzar uno aparte.
Cuatro pulsos de un solo láser
Un único láser (1064 nm, pulsos de 200 picosegundos, 100 milijulios como máximo) se divide en cuatro pulsos retrasados unos 10 nanosegundos cada uno, y cada pulso atraviesa su propio par de axicones. Sobre la muestra, los anillos tienen radios de 169, 134, 105 y 75 micrómetros; los retardos medidos entre ellos fueron de 11,1, 10,7 y 9,2 nanosegundos. El blanco es una capa de agua de 25 micrómetros oscurecida con un 5 % de tinta negra comercial (nanopartículas de carbono), comprimida entre dos ventanas de zafiro.
Una cámara de barrido (streak camera) sigue el choque a lo largo de una línea que pasa por el centro. Con un solo anillo, llega al foco en unos 62 nanosegundos. Con cada anillo añadido, el recorrido de los últimos 160 micrómetros aproximadamente se acorta: el choque se mueve más rápido, así que es más fuerte. El montaje realizaba alrededor de un disparo por minuto, limitado por tener que mover la muestra a mano; se obtuvieron unos 1000 disparos útiles.
400 gigapascales, calculados y aún no medidos
La presión en sí no se mide. El equipo realizó simulaciones hidrodinámicas con los mismos tamaños de anillo y retardos, ajustando un único parámetro —la energía que cada anillo deposita realmente— hasta que la trayectoria simulada del choque coincidió con la medida. El mejor ajuste se obtuvo con unos 2 milijulios por anillo, para 4,5 incidentes. La simulación da entonces las condiciones cerca del foco: más de 400 gigapascales a 1 micrómetro del centro, una densidad de 4 gramos por centímetro cúbico y unos 5700 kelvin.
La ganancia es más que aditiva. En las simulaciones, los cuatro anillos disparados por separado alcanzarían presiones máximas que suman solo 280 gigapascales; disparados en secuencia, llegan a unos 420. Los autores ajustan la presión máxima frente al número de anillos con una curva fenomenológica, P = a·exp(N/b) + c, y subrayan que es una descripción dentro del pequeño intervalo explorado, no una ley universal.
Queda un detalle extraño sin explicar. Antes de que llegue el choque, el centro de la muestra se oscurece, unos 30 nanosegundos después del disparo del láser, a una velocidad que coincide con la de las ondas de Rayleigh en el zafiro. Su origen queda para trabajos futuros.
La letra pequeña
Los propios autores detallan los límites. La afirmación del megabar se basa en la simulación, no en un diagnóstico directo de la presión. Las ecuaciones de estado utilizadas para el agua y el zafiro proceden de informes internos de Livermore, no de fuentes públicas revisadas por pares, de modo que la escala absoluta de presión no puede comprobarse de forma independiente. El ajuste usa un parámetro libre y el disparo más fuerte, y las simulaciones suponen una simetría circular perfecta; el equipo estima que el punto focal real mide menos de 5 micrómetros, y la simulación sigue dando presiones de megabar a 5 micrómetros del centro.
El siguiente paso es medir el foco directamente, por ejemplo con rayos X que revelen la densidad de la muestra. Los autores también ven margen para crecer: más anillos, más energía, un reparto más inteligente de esa energía entre los anillos y, desincronizando deliberadamente los anillos, una serie de choques más suaves que podrían comprimir la materia calentándola menos.