SEJUTA ATMOSFER DI ATAS MEJA LABORATORIUM

Tekanan satu megabar — 100 gigapascal, kira-kira sejuta kali tekanan atmosfer — menulis ulang aturan materi. Tekanan ini dapat mengubah isolator menjadi logam, padatan amorf menjadi kristal, dan zat reaktif menjadi zat inert. Menekan sampel secara perlahan di antara landasan intan (diamond anvil) masih terjangkau oleh satu laboratorium universitas. Mencapai megabar dengan gelombang kejut adalah cerita lain: cara ini terutama mengandalkan laser kelas kilojoule atau senapan gas yang menembakkan proyektil, di laboratorium nasional dan fasilitas besar yang hanya mampu melakukan beberapa tembakan per jam, atau per hari.

Cincin cahaya yang memfokuskan gelombang kejut

Kelompok Keith Nelson di Massachusetts Institute of Technology, bersama rekan-rekan di Army Research Laboratory, Universitas Rennes, Universitas Massachusetts Amherst, dan Lawrence Livermore National Laboratory, berangkat dari trik yang sudah dikenal. Bentuk pulsa laser menjadi cincin dengan aksikon, prisma berbentuk kerucut, lalu fokuskan ke lapisan cairan setebal beberapa puluh mikron. Cincin yang tersinari menguap dan melepaskan gelombang kejut yang menyatu ke arah pusat. Saat menyusut ke volume yang makin kecil, tekanannya naik tajam. Dengan cara ini saja, tekanan yang dicapai sebelumnya berkisar puluhan gigapascal.

Gagasan barunya adalah menembakkan beberapa cincin, satu demi satu: yang terlebar lebih dulu, lalu yang lebih kecil, dengan jeda beberapa nanodetik. Ukuran cincin dan jedanya diatur agar setiap cincin baru menyala tepat di tempat gelombang kejut yang menyatu sedang lewat — sebuah syarat “pencocokan kecepatan”. Dengan begitu setiap cincin menambahkan dorongannya pada muka gelombang kejut yang sama, alih-alih melepaskan gelombang baru.

Empat pulsa dari satu laser

Satu laser (1.064 nm, pulsa 200 pikodetik, maksimum 100 milijoule) dipecah menjadi empat pulsa yang masing-masing tertunda sekitar 10 nanodetik, dan setiap pulsa melewati pasangan aksikonnya sendiri. Pada sampel, jari-jari cincinnya 169, 134, 105, dan 75 mikrometer; jeda terukur di antara cincin adalah 11,1, 10,7, dan 9,2 nanodetik. Targetnya adalah lapisan air setebal 25 mikrometer yang digelapkan dengan 5% tinta hitam komersial (nanopartikel karbon), dijepit di antara dua jendela safir.

Sebuah kamera streak mengikuti gelombang kejut sepanjang garis yang melintasi pusat. Dengan satu cincin, gelombang kejut mencapai titik fokus dalam sekitar 62 nanodetik. Setiap kali cincin ditambahkan, perjalanan di sekitar 160 mikrometer terakhir menjadi lebih singkat: gelombang kejut bergerak lebih cepat, berarti lebih kuat. Perangkat ini menembak sekitar sekali per menit, dibatasi oleh pemindahan sampel secara manual; sekitar 1.000 tembakan yang berguna berhasil dikumpulkan.

400 gigapascal — dihitung, belum diukur

Tekanannya sendiri tidak diukur. Tim menjalankan simulasi hidrodinamika dengan ukuran cincin dan jeda yang sama, menyesuaikan satu parameter saja — energi yang benar-benar disalurkan setiap cincin — hingga lintasan gelombang kejut simulasi cocok dengan yang terukur. Kecocokan terbaik diperoleh pada sekitar 2 milijoule per cincin, dari 4,5 milijoule yang datang. Simulasi kemudian memberikan kondisi di dekat titik fokus: lebih dari 400 gigapascal pada jarak 1 mikrometer dari pusat, kerapatan 4 gram per sentimeter kubik, dan suhu sekitar 5.700 kelvin.

Keuntungannya lebih dari sekadar penjumlahan. Dalam simulasi, keempat cincin yang ditembakkan terpisah akan mencapai puncak tekanan yang jika dijumlahkan hanya 280 gigapascal; jika ditembakkan berurutan, tekanannya mencapai sekitar 420. Para penulis mencocokkan tekanan puncak terhadap jumlah cincin dengan kurva fenomenologis, P = a·exp(N/b) + c, dan menegaskan bahwa ini hanya deskripsi untuk rentang kecil yang dijelajahi, bukan hukum universal.

Satu detail aneh masih belum terjelaskan. Sebelum gelombang kejut tiba, pusat sampel menggelap, sekitar 30 nanodetik setelah laser ditembakkan — kecepatan yang cocok dengan gelombang Rayleigh di dalam safir. Asal-usulnya dibiarkan untuk penelitian selanjutnya.

Catatan kecil yang penting

Para penulis sendiri menjabarkan batasannya. Klaim megabar bertumpu pada simulasi, bukan pada diagnostik tekanan langsung. Persamaan keadaan yang dipakai untuk air dan safir berasal dari laporan internal Livermore, bukan sumber publik yang ditinjau sejawat, sehingga skala tekanan absolutnya tidak dapat diperiksa secara independen. Pencocokan memakai satu parameter bebas dan tembakan terkuat, dan simulasi mengasumsikan simetri lingkaran sempurna; tim memperkirakan titik fokus sebenarnya berukuran kurang dari 5 mikrometer, dan simulasi tetap memberikan tekanan megabar pada jarak 5 mikrometer dari pusat.

Langkah berikutnya adalah mengukur titik fokus secara langsung, misalnya dengan sinar-X yang mengungkap kerapatan sampel. Para penulis juga melihat ruang untuk berkembang: lebih banyak cincin, lebih banyak energi, pembagian energi antarcincin yang lebih cerdas — dan, dengan sengaja membuat waktu cincin meleset, serangkaian gelombang kejut yang lebih lembut yang dapat memampatkan materi sambil memanaskannya lebih sedikit.