LABORATUVAR TEZGÂHINDA BİR MİLYON ATMOSFER

Bir megabarlık basınç — 100 gigapaskal, kabaca atmosfer basıncının bir milyon katı — maddenin kurallarını yeniden yazar. Yalıtkanları metale, amorf katıları kristale, tepkin maddeleri eylemsiz maddelere dönüştürebilir. Numuneleri elmas örsler arasında yavaş yavaş sıkıştırmak tek bir üniversite laboratuvarının erişebileceği bir iştir. Megabara şok dalgalarıyla ulaşmak ise başka bir hikâye: bu, saatte ya da günde yalnızca birkaç atış yapabilen ulusal laboratuvarlardaki ve büyük tesislerdeki kilojoule sınıfı lazerlere ya da mermi fırlatan gaz tüfeklerine dayanır.

Bir şoku odaklayan ışık halkaları

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki (MIT) Keith Nelson’ın grubu, Ordu Araştırma Laboratuvarı, Rennes Üniversitesi, Massachusetts Amherst Üniversitesi ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki meslektaşlarıyla birlikte, bilinen bir hileden yola çıktı. Bir lazer atımını koni biçimli bir prizma olan aksikonla halka biçimine sokun ve birkaç on mikron kalınlığındaki bir sıvı tabakasına odaklayın. Aydınlanan halka buharlaşır ve merkeze doğru yakınsayan bir şok dalgası başlatır. Şok giderek küçülen bir hacme sıkıştıkça basıncı hızla tırmanır. Bu yaklaşım tek başına onlarca gigapaskala ulaşmıştı.

Yeni fikir, birkaç halkayı art arda ateşlemek: önce en genişi, sonra daha küçükleri, birkaç nanosaniye arayla. Halka boyutları ve gecikmeler, her yeni halka tam da yakınsayan şokun geçtiği yerde yanacak biçimde ayarlanıyor — bir “hız eşleştirme” koşulu. Böylece her halka ayrı bir şok başlatmak yerine itişini aynı şok cephesine ekliyor.

Tek lazerden dört atım

Tek bir lazer (1.064 nm, 200 pikosaniyelik atımlar, en fazla 100 milijoule) her biri yaklaşık 10 nanosaniye gecikmeli dört atıma bölünüyor ve her atım kendi aksikon çiftinden geçiyor. Numune üzerinde halkaların yarıçapları 169, 134, 105 ve 75 mikrometre; aralarındaki ölçülen gecikmeler 11,1, 10,7 ve 9,2 nanosaniye. Hedef, %5 ticari siyah mürekkeple (karbon nanoparçacıkları) karartılmış, iki safir pencere arasına sıkıştırılmış 25 mikrometrelik bir su tabakası.

Bir çizgi kamerası (streak camera), şoku merkezden geçen bir çizgi boyunca izliyor. Tek halkayla şok odağa yaklaşık 62 nanosaniyede ulaşıyor. Eklenen her halkayla son 160 kadar mikrometrelik yolculuk kısalıyor: şok daha hızlı ilerliyor, yani daha güçlü. Düzenek, numunenin elle kaydırılması nedeniyle dakikada yaklaşık bir atış yapabildi; 1.000 kadar kullanışlı atış alındı.

400 gigapaskal — hesaplandı, henüz ölçülmedi

Basıncın kendisi ölçülmüyor. Ekip aynı halka boyutları ve gecikmelerle hidrodinamik simülasyonlar çalıştırdı ve simüle edilen şok yolu ölçülenle örtüşene kadar tek bir parametreyi — her halkanın gerçekte bıraktığı enerjiyi — ayarladı. En iyi uyum, gelen 4,5 milijoule’e karşılık halka başına yaklaşık 2 milijoule’de elde edildi. Simülasyon ardından odağa yakın koşulları veriyor: merkezden 1 mikrometre uzakta 400 gigapaskaldan fazla, santimetreküp başına 4 gram yoğunluk ve yaklaşık 5.700 kelvin.

Kazanç, toplamdan fazlası. Simülasyonlarda dört halka ayrı ayrı ateşlendiğinde, tepe basınçlarının toplamı yalnızca 280 gigapaskala ulaşıyor; art arda ateşlendiklerinde ise yaklaşık 420’ye. Yazarlar tepe basıncını halka sayısına karşı fenomenolojik bir eğriyle, P = a·exp(N/b) + c, uyduruyor ve bunun evrensel bir yasa değil, incelenen dar aralık için bir betimleme olduğunu vurguluyor.

Açıklanamayan tuhaf bir ayrıntı kalıyor. Şok gelmeden önce, lazer ateşlendikten yaklaşık 30 nanosaniye sonra, numunenin merkezi kararıyor — safirdeki Rayleigh dalgalarına uyan bir hız. Kökeni gelecekteki çalışmalara bırakılıyor.

İnce ayrıntılar

Yazarlar sınırları kendileri açıkça belirtiyor. Megabar iddiası simülasyona dayanıyor, doğrudan bir basınç ölçümüne değil. Su ve safir için kullanılan hâl denklemleri, kamuya açık hakemli kaynaklardan değil Livermore’un iç raporlarından geliyor; bu yüzden mutlak basınç ölçeği bağımsız olarak denetlenemiyor. Uydurma tek bir serbest parametre ve en güçlü atışı kullanıyor, simülasyonlar ise kusursuz dairesel simetri varsayıyor; ekip gerçek odak noktasının 5 mikrometreden küçük olduğunu tahmin ediyor ve simülasyon merkezden 5 mikrometre uzakta da megabar düzeyinde basınçlar veriyor.

Bir sonraki adım odağı doğrudan ölçmek; örneğin numunenin yoğunluğunu ortaya koyan X ışınlarıyla. Yazarlar büyüme payı da görüyor: daha fazla halka, daha fazla enerji, bu enerjinin halkalar arasında daha akıllıca paylaştırılması — ve halkaların zamanlamasını bilerek kaydırarak, maddeyi daha az ısıtırken sıkıştırabilecek bir dizi daha yumuşak şok.