実験台の上で100万気圧
1メガバールの圧力、つまり100ギガパスカル、大気圧のおよそ100万倍の圧力は、物質のルールを書き換える。絶縁体を金属に、非晶質の固体を結晶に、反応しやすい物質を不活性な物質に変えることができる。ダイヤモンドアンビルのあいだで試料をゆっくり押しつぶすことなら、大学の研究室ひとつでも手が届く。だが衝撃波でメガバールに達するとなると話は別だ。それには主にキロジュール級のレーザーや、弾丸を撃ち出すガス銃が使われ、国立研究所や大型施設で、1時間に、あるいは1日に数発しか撃てない。
衝撃波を集める光の輪
マサチューセッツ工科大学（MIT）のキース・ネルソン（Keith Nelson）のグループは、陸軍研究所、レンヌ大学、マサチューセッツ大学アマースト校、ローレンス・リバモア国立研究所の研究者とともに、ある既知の手法から出発した。円錐形のプリズムであるアキシコンでレーザーパルスを輪の形にし、厚さ数十マイクロメートルの液体の層に集光する。照らされた輪の部分が気化し、中心に向かって収束する衝撃波を生み出す。衝撃波はどんどん小さな体積に縮んでいくにつれて、圧力が急激に上がる。この方法単独では、数十ギガパスカルに達していた。
新しいアイデアは、複数の輪を次々と撃つことだ。いちばん広い輪を最初に、続いてより小さな輪を、数ナノ秒間隔で撃つ。輪の大きさと遅延時間は、それぞれの新しい輪が、収束する衝撃波がちょうど通過している場所で光るように調整される。これが「速度整合（speed matching）」の条件だ。こうすると、各輪は別の衝撃波を生み出すのではなく、同じ衝撃波面に自分の押す力を加えることになる。
1台のレーザーから4つのパルス
1台のレーザー（波長1,064 nm、200ピコ秒のパルス、最大100ミリジュール）を、それぞれ約10ナノ秒ずつ遅らせた4つのパルスに分け、各パルスはそれぞれ専用のアキシコンの対を通る。試料上での輪の半径は169、134、105、75マイクロメートルで、輪のあいだの遅延の測定値は11.1、10.7、9.2ナノ秒だった。標的は、市販の黒インク（炭素ナノ粒子）を5%加えて黒くした厚さ25マイクロメートルの水の層で、2枚のサファイア窓のあいだにはさまれている。
ストリークカメラが、中心を通る1本の線に沿って衝撃波を追跡する。輪が1つの場合、衝撃波は約62ナノ秒で焦点に達する。輪を1つ加えるごとに、最後の約160マイクロメートルを進む時間が短くなる。衝撃波が速く進んでいる、つまり強くなっているということだ。装置は1分に約1発のペースで撃たれた。この速さを制限していたのは、試料を手で動かす作業だった。有効なショットはおよそ1,000回得られた。
400ギガパスカル、計算値であり測定値ではない
圧力そのものは測定されていない。チームは同じ輪の大きさと遅延時間で流体力学シミュレーションを行い、ただ1つのパラメータ、つまり各輪が実際に与えるエネルギーを、シミュレーションの衝撃波の軌跡が測定された軌跡と一致するまで調整した。最もよく一致したのは、入射4.5ミリジュールに対して1つの輪あたり約2ミリジュールのときだった。このシミュレーションから焦点付近の状態がわかる。中心から1マイクロメートルの位置で400ギガパスカル超、密度は1立方センチメートルあたり4グラム、温度は約5,700ケルビンである。
効果は単なる足し算以上だ。シミュレーションでは、4つの輪を別々に撃った場合のピーク圧力を合計しても280ギガパスカルにしかならないが、順番に撃つと約420ギガパスカルに達する。著者らは、輪の数に対するピーク圧力を現象論的な曲線 P = a·exp(N/b) + c で当てはめているが、これは調べたせまい範囲での記述にすぎず、普遍的な法則ではないと強調している。
説明のつかない奇妙な点がひとつ残っている。衝撃波が到着する前、レーザーを撃ってから約30ナノ秒後に、試料の中心が暗くなるのだ。その速さはサファイア中のレイリー波の速さと一致する。その原因は今後の研究に委ねられている。
但し書き
著者ら自身が限界を詳しく述べている。メガバールという主張はシミュレーションに基づいており、圧力を直接診断したものではない。水とサファイアについて使われた状態方程式は、公開された査読付きの資料ではなく、リバモアの内部報告書に由来するため、圧力の絶対的な尺度を独立に検証することはできない。当てはめには自由パラメータ1つと最も強いショットが使われ、シミュレーションは完全な円対称を仮定している。チームは実際の焦点の大きさを5マイクロメートル未満と見積もっており、シミュレーションでは中心から5マイクロメートルの位置でもメガバールの圧力が得られている。
次の段階は、焦点を直接測定することだ。たとえば、試料の密度を明らかにするX線を使う。著者らは、さらに伸ばす余地もあると見ている。輪を増やす、エネルギーを増やす、輪のあいだでエネルギーをより賢く分配する。そして、輪のタイミングをわざとずらすことで、物質をあまり加熱せずに圧縮できる、よりおだやかな一連の衝撃波をつくることもできる。