МИЛЛИОН АТМОСФЕР НА ЛАБОРАТОРНОМ СТОЛЕ

Давление в один мегабар — 100 гигапаскалей, примерно в миллион раз больше атмосферного, — переписывает правила поведения вещества. Оно способно превращать диэлектрики в металлы, аморфные твёрдые тела в кристаллы, реакционноспособные вещества в инертные. Медленное сжатие образцов между алмазными наковальнями доступно отдельной университетской лаборатории. Достичь мегабара с помощью ударных волн — совсем другое дело: для этого в основном нужны лазеры килоджоулевого класса или газовые пушки, стреляющие снарядами, в национальных лабораториях и на крупных установках, которые делают несколько выстрелов в час, а то и в день.

Кольца света, фокусирующие ударную волну

Группа Кита Нельсона из Массачусетского технологического института вместе с коллегами из Исследовательской лаборатории армии США (Army Research Laboratory), Реннского университета, Массачусетского университета в Амхерсте и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса отталкивалась от известного приёма. Лазерному импульсу придают форму кольца с помощью аксикона — призмы конической формы — и фокусируют его на слое жидкости толщиной в несколько десятков микрон. Освещённое кольцо испаряется и запускает ударную волну, сходящуюся к центру. Сжимаясь во всё меньший объём, она резко наращивает давление. Сам по себе этот подход позволял достигать десятков гигапаскалей.

Новая идея — запускать несколько колец одно за другим: сначала самое широкое, затем меньшие, с интервалом в несколько наносекунд. Размеры колец и задержки подобраны так, чтобы каждое новое кольцо вспыхивало ровно там, где в этот момент проходит сходящаяся ударная волна, — это условие «согласования скоростей». Тогда каждое кольцо добавляет свой толчок к тому же фронту ударной волны, а не запускает отдельную.

Четыре импульса от одного лазера

Луч одного лазера (1064 нм, импульсы длительностью 200 пикосекунд, максимум 100 миллиджоулей) делится на четыре импульса с задержкой около 10 наносекунд между ними, и каждый проходит через собственную пару аксиконов. На образце радиусы колец составляют 169, 134, 105 и 75 микрометров; измеренные задержки между ними — 11,1, 10,7 и 9,2 наносекунды. Мишень — слой воды толщиной 25 микрометров, затемнённый 5% обычной чёрной туши (углеродные наночастицы) и зажатый между двумя сапфировыми окнами.

Скоростная щелевая камера (streak camera) следит за ударной волной вдоль линии, проходящей через центр. С одним кольцом волна достигает фокуса примерно за 62 наносекунды. С каждым добавленным кольцом путь на последних примерно 160 микрометрах сокращается: волна движется быстрее, а значит, она сильнее. Установка делала около одного выстрела в минуту — ограничением было ручное перемещение образца; всего получено около 1000 пригодных выстрелов.

400 гигапаскалей — рассчитано, но ещё не измерено

Само давление не измеряется. Команда провела гидродинамическое моделирование с теми же размерами колец и задержками, подстраивая единственный параметр — энергию, которую каждое кольцо реально передаёт, — пока смоделированная траектория ударной волны не совпала с измеренной. Лучшее совпадение получилось при примерно 2 миллиджоулях на кольцо из 4,5 падающих. Затем моделирование даёт условия вблизи фокуса: более 400 гигапаскалей на расстоянии 1 микрометра от центра, плотность 4 грамма на кубический сантиметр и около 5700 кельвинов.

Выигрыш больше, чем простая сумма. В моделировании четыре кольца, запущенные по отдельности, дали бы пиковые давления, в сумме составляющие лишь 280 гигапаскалей; запущенные последовательно, они достигают около 420. Авторы описывают зависимость пикового давления от числа колец феноменологической кривой P = a·exp(N/b) + c и подчёркивают, что это описание в узком исследованном диапазоне, а не универсальный закон.

Одна странная деталь остаётся необъяснённой. Ещё до прихода ударной волны центр образца темнеет — примерно через 30 наносекунд после выстрела лазера; эта скорость соответствует волнам Рэлея в сапфире. Их происхождение оставлено для будущих работ.

Мелкий шрифт

Авторы сами перечисляют ограничения. Утверждение о мегабаре опирается на моделирование, а не на прямую диагностику давления. Уравнения состояния, использованные для воды и сапфира, взяты из внутренних отчётов Ливермора, а не из открытых рецензируемых источников, поэтому абсолютную шкалу давления невозможно проверить независимо. Подгонка использует один свободный параметр и самый мощный выстрел, а моделирование предполагает идеальную круговую симметрию; команда оценивает реальное фокальное пятно менее чем в 5 микрометров, и моделирование всё равно даёт мегабарные давления в 5 микрометрах от центра.

Следующий шаг — измерить фокус напрямую, например с помощью рентгеновских лучей, которые покажут плотность образца. Авторы видят и простор для роста: больше колец, больше энергии, более продуманное распределение этой энергии между кольцами — а если намеренно рассинхронизировать кольца, то серию более мягких ударных волн, которые могли бы сжимать вещество, нагревая его меньше.