UM MILHÃO DE ATMOSFERAS NUMA BANCADA DE LABORATÓRIO

Uma pressão de um megabar — 100 gigapascals, cerca de um milhão de vezes a pressão atmosférica — reescreve as regras da matéria. Pode transformar isolantes em metais, sólidos amorfos em cristais, substâncias reativas em substâncias inertes. Comprimir amostras lentamente entre bigornas de diamante está ao alcance de um único laboratório universitário. Atingir o megabar com ondas de choque é outra história: depende sobretudo de lasers da classe dos quilojoules ou de canhões de gás que disparam projéteis, em laboratórios nacionais e grandes instalações que conseguem alguns disparos por hora, ou por dia.

Anéis de luz que focam um choque

O grupo de Keith Nelson no Massachusetts Institute of Technology, com colegas do Army Research Laboratory, da Universidade de Rennes, da Universidade de Massachusetts Amherst e do Lawrence Livermore National Laboratory, partiu de um truque conhecido. Um pulso de laser ganha a forma de anel com um áxicon, um prisma em forma de cone, e esse anel é focado numa camada líquida com algumas dezenas de mícrons de espessura. O anel iluminado vaporiza-se e lança uma onda de choque que converge para o centro. À medida que se contrai num volume cada vez menor, a sua pressão sobe rapidamente. Sozinha, esta abordagem tinha chegado a dezenas de gigapascals.

A ideia nova é disparar vários anéis, um após o outro: primeiro o mais largo, depois os menores, com alguns nanossegundos de intervalo. Os tamanhos dos anéis e os atrasos são ajustados para que cada novo anel se acenda exatamente onde está passando o choque convergente — uma condição de “correspondência de velocidades”. Cada anel soma então o seu impulso à mesma frente de choque, em vez de lançar uma nova.

Quatro pulsos a partir de um só laser

Um único laser (1064 nm, pulsos de 200 picossegundos, 100 milijoules no máximo) é dividido em quatro pulsos, atrasados cerca de 10 nanossegundos entre si, e cada um passa pelo seu próprio par de áxicons. Na amostra, os anéis têm raios de 169, 134, 105 e 75 micrômetros; os atrasos medidos entre eles foram de 11,1, 10,7 e 9,2 nanossegundos. O alvo é uma camada de água com 25 micrômetros escurecida com 5% de tinta preta comercial (nanopartículas de carbono), comprimida entre duas janelas de safira.

Uma câmera de varredura (streak camera) acompanha o choque ao longo de uma linha que passa pelo centro. Com um único anel, o choque chega ao foco em cerca de 62 nanossegundos. A cada anel acrescentado, o percurso nos últimos 160 micrômetros, aproximadamente, fica mais curto: o choque move-se mais depressa, logo é mais forte. A montagem fazia cerca de um disparo por minuto, limitada pela deslocação manual da amostra; foram obtidos uns 1000 disparos úteis.

400 gigapascals — calculados, ainda não medidos

A pressão em si não é medida. A equipe rodou simulações hidrodinâmicas com os mesmos tamanhos de anel e atrasos, ajustando um único parâmetro — a energia que cada anel deposita efetivamente — até que a trajetória simulada do choque coincidisse com a medida. O melhor ajuste surgiu com cerca de 2 milijoules por anel, para 4,5 incidentes. A simulação dá então as condições perto do foco: mais de 400 gigapascals a 1 micrômetro do centro, uma densidade de 4 gramas por centímetro cúbico e cerca de 5700 kelvin.

O ganho é mais do que aditivo. Nas simulações, os quatro anéis disparados separadamente atingiriam picos de pressão que somam apenas 280 gigapascals; disparados em sequência, chegam a cerca de 420. Os autores ajustam a pressão máxima em função do número de anéis com uma curva fenomenológica, P = a·exp(N/b) + c, e sublinham que se trata de uma descrição no pequeno intervalo explorado, não de uma lei universal.

Um detalhe estranho continua sem explicação. Antes de o choque chegar, o centro da amostra escurece, cerca de 30 nanossegundos depois do disparo do laser — uma velocidade que corresponde às ondas de Rayleigh na safira. A sua origem fica para trabalhos futuros.

As letras miúdas

Os próprios autores explicitam os limites. A afirmação do megabar assenta na simulação, não num diagnóstico direto da pressão. As equações de estado usadas para a água e a safira vêm de relatórios internos de Livermore, não de fontes públicas revistas por pares, pelo que a escala absoluta de pressão não pode ser verificada de forma independente. O ajuste usa um parâmetro livre e o disparo mais forte, e as simulações pressupõem uma simetria circular perfeita; a equipe estima que o ponto focal real tenha menos de 5 micrômetros, e a simulação continua dando pressões de megabar a 5 micrômetros do centro.

O passo seguinte é medir o foco diretamente, por exemplo com raios X que revelem a densidade da amostra. Os autores veem também margem para crescer: mais anéis, mais energia, uma divisão mais inteligente dessa energia entre os anéis — e, dessincronizando deliberadamente os anéis, uma série de choques mais suaves que poderiam comprimir a matéria aquecendo-a menos.