UN MILLION D'ATMOSPHÈRES SUR UNE TABLE DE LABORATOIRE

Une pression d’un mégabar — 100 gigapascals, environ un million de fois la pression atmosphérique — réécrit les règles de la matière. Elle peut changer des isolants en métaux, des solides amorphes en cristaux, des substances réactives en substances inertes. Comprimer lentement un échantillon entre deux enclumes de diamant est à la portée d’un seul laboratoire universitaire. Atteindre le mégabar par ondes de choc, c’est une autre affaire : on s’appuie surtout sur des lasers de classe kilojoule ou des canons à gaz qui projettent des plaques, dans des laboratoires nationaux et de grands équipements qui tirent quelques coups par heure, voire par jour.

Des anneaux de lumière qui focalisent un choc

Le groupe de Keith Nelson, au Massachusetts Institute of Technology, avec des collègues de l’Army Research Laboratory, de l’université de Rennes, de l’université du Massachusetts à Amherst et du Lawrence Livermore National Laboratory, est parti d’une astuce connue. Mettre en forme une impulsion laser en anneau avec un axicon, un prisme conique, et la focaliser sur une couche liquide de quelques dizaines de microns. L’anneau éclairé se vaporise et lance une onde de choc qui converge vers le centre. En se resserrant dans un volume de plus en plus petit, sa pression grimpe fortement. Seule, cette approche atteignait des dizaines de gigapascals.

L’idée nouvelle : tirer plusieurs anneaux, l’un après l’autre, le plus large d’abord, puis de plus petits, à quelques nanosecondes d’intervalle. Tailles et délais sont réglés pour que chaque nouvel anneau s’allume exactement là où passe le choc qui converge — une condition d’« accord de vitesse ». Chaque anneau ajoute alors sa poussée au même front de choc, au lieu d’en lancer un autre.

Quatre impulsions pour un seul laser

Un seul laser (1 064 nm, impulsions de 200 picosecondes, 100 millijoules au maximum) est divisé en quatre impulsions décalées d’environ 10 nanosecondes, chacune passant par sa propre paire d’axicons. Sur l’échantillon, les anneaux ont des rayons de 169, 134, 105 et 75 micromètres ; les délais mesurés entre eux sont de 11,1, 10,7 et 9,2 nanosecondes. La cible est une couche d’eau de 25 micromètres noircie par 5 % d’encre noire du commerce (nanoparticules de carbone), prise entre deux fenêtres de saphir.

Une caméra à balayage de fente suit le choc le long d’une ligne passant par le centre. Avec un seul anneau, il atteint le foyer en 62 nanosecondes environ. À chaque anneau ajouté, le trajet sur les quelque 160 derniers micromètres raccourcit : le choc va plus vite, il est donc plus fort. Le montage tirait environ un coup par minute, limité par le déplacement de l’échantillon à la main ; quelque 1 000 tirs utiles ont été réalisés.

400 gigapascals — calculés, pas encore mesurés

La pression elle-même n’est pas mesurée. L’équipe a lancé des simulations hydrodynamiques avec les mêmes tailles d’anneaux et les mêmes délais, en ajustant un seul paramètre — l’énergie réellement déposée par chaque anneau — jusqu’à ce que la trajectoire simulée du choc colle à la trajectoire mesurée. Le meilleur accord est obtenu pour environ 2 millijoules par anneau, pour 4,5 incidents. La simulation donne alors les conditions près du foyer : plus de 400 gigapascals à 1 micromètre du centre, une densité de 4 grammes par centimètre cube et environ 5 700 kelvins.

Le gain dépasse la simple addition. Dans les simulations, les quatre anneaux tirés séparément atteignent des pics dont la somme ne fait que 280 gigapascals ; tirés à la suite, ils atteignent environ 420. Les auteurs décrivent la pression de pic en fonction du nombre d’anneaux par une courbe phénoménologique, P = a·exp(N/b) + c, en soulignant qu’il s’agit d’une description sur la petite plage explorée, pas d’une loi universelle.

Un détail étrange reste inexpliqué. Avant l’arrivée du choc, le centre de l’échantillon s’assombrit, environ 30 nanosecondes après le tir laser — une vitesse qui correspond à celle des ondes de Rayleigh dans le saphir. Son origine est laissée à de futurs travaux.

Les petites lignes

Les auteurs détaillent eux-mêmes les limites. Le mégabar repose sur la simulation, pas sur une mesure directe de pression. Les équations d’état utilisées pour l’eau et le saphir viennent de rapports internes de Livermore, pas de sources publiques relues par les pairs : l’échelle absolue de pression ne peut donc pas être vérifiée de façon indépendante. Le calage n’utilise qu’un paramètre libre et le tir le plus fort, et les simulations supposent une symétrie circulaire parfaite ; l’équipe estime la vraie tache focale à moins de 5 micromètres, et la simulation donne encore des pressions mégabar à 5 micromètres du centre.

Prochaine étape : mesurer le foyer directement, par exemple avec des rayons X qui révèlent la densité de l’échantillon. Les auteurs voient aussi de la marge : plus d’anneaux, plus d’énergie, une meilleure répartition de cette énergie entre les anneaux — et, en désaccordant volontairement les anneaux, une série de chocs plus doux qui comprimeraient la matière en la chauffant moins.