ÁP SUẤT MỘT TRIỆU ATMÔTPHE TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM

Một áp suất một megabar — 100 gigapascal, xấp xỉ một triệu lần áp suất khí quyển — viết lại các quy tắc của vật chất. Nó có thể biến chất cách điện thành kim loại, chất rắn vô định hình thành tinh thể, chất dễ phản ứng thành chất trơ. Ép mẫu từ từ giữa hai đe kim cương nằm trong tầm tay của một phòng thí nghiệm đại học. Đạt tới megabar bằng sóng xung kích lại là chuyện khác: việc đó chủ yếu dựa vào laser cỡ kilojoule hoặc súng khí bắn đạn, tại các phòng thí nghiệm quốc gia và cơ sở lớn chỉ thực hiện được vài phát mỗi giờ, hoặc mỗi ngày.

Những vòng ánh sáng hội tụ sóng xung kích

Nhóm của Keith Nelson tại Viện Công nghệ Massachusetts, cùng các đồng nghiệp ở Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân, Đại học Rennes, Đại học Massachusetts Amherst và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, bắt đầu từ một thủ thuật đã biết. Tạo hình một xung laser thành vòng tròn bằng một axicon, tức một lăng kính hình nón, rồi hội tụ nó lên một lớp chất lỏng dày vài chục micromet. Vòng được chiếu sáng bốc hơi và phát ra một sóng xung kích hội tụ về tâm. Khi co lại trong một thể tích ngày càng nhỏ, áp suất của nó tăng vọt. Riêng phương pháp này đã đạt tới vài chục gigapascal.

Ý tưởng mới là bắn nhiều vòng, nối tiếp nhau: vòng rộng nhất trước, rồi đến các vòng nhỏ hơn, cách nhau vài nano giây. Kích thước vòng và độ trễ được điều chỉnh sao cho mỗi vòng mới sáng lên đúng chỗ sóng xung kích đang hội tụ đi qua — điều kiện “khớp tốc độ” (speed matching). Khi đó mỗi vòng góp thêm lực đẩy vào cùng một mặt sóng xung kích thay vì phát ra một sóng riêng.

Bốn xung từ một laser

Một laser duy nhất (1.064 nm, xung 200 pico giây, tối đa 100 millijoule) được chia thành bốn xung, mỗi xung trễ khoảng 10 nano giây, và mỗi xung đi qua một cặp axicon riêng. Trên mẫu, các vòng có bán kính 169, 134, 105 và 75 micromet; độ trễ đo được giữa chúng là 11,1, 10,7 và 9,2 nano giây. Mục tiêu là một lớp nước dày 25 micromet được làm tối bằng 5% mực đen thương mại (hạt nano carbon), kẹp giữa hai cửa sổ sapphire.

Một camera vệt (streak camera) theo dõi sóng xung kích dọc một đường thẳng đi qua tâm. Với một vòng duy nhất, sóng tới tiêu điểm sau khoảng 62 nano giây. Mỗi khi thêm một vòng, thời gian đi qua khoảng 160 micromet cuối cùng ngắn lại: sóng xung kích di chuyển nhanh hơn, nghĩa là mạnh hơn. Thiết bị bắn khoảng một phát mỗi phút, bị giới hạn bởi việc di chuyển mẫu bằng tay; khoảng 1.000 phát hữu ích đã được ghi nhận.

400 gigapascal — tính toán, chưa đo đạc

Bản thân áp suất không được đo. Nhóm chạy các mô phỏng thủy động lực học với cùng kích thước vòng và độ trễ, điều chỉnh một tham số duy nhất — năng lượng mà mỗi vòng thực sự truyền vào — cho đến khi quỹ đạo sóng xung kích mô phỏng khớp với quỹ đạo đo được. Mức khớp tốt nhất đạt được ở khoảng 2 millijoule mỗi vòng, trên 4,5 millijoule chiếu tới. Mô phỏng sau đó cho biết các điều kiện gần tiêu điểm: hơn 400 gigapascal ở cách tâm 1 micromet, mật độ 4 gam trên centimet khối và khoảng 5.700 kelvin.

Hiệu quả còn hơn cả phép cộng. Trong mô phỏng, bốn vòng bắn riêng rẽ sẽ đạt các đỉnh áp suất cộng lại chỉ 280 gigapascal; bắn nối tiếp, chúng đạt khoảng 420. Các tác giả khớp đỉnh áp suất theo số vòng bằng một đường cong hiện tượng luận, P = a·exp(N/b) + c, và nhấn mạnh rằng đó là một mô tả trong khoảng hẹp đã khảo sát, không phải một định luật phổ quát.

Một chi tiết kỳ lạ vẫn chưa được giải thích. Trước khi sóng xung kích tới, tâm mẫu tối đi, khoảng 30 nano giây sau khi laser bắn — một tốc độ khớp với sóng Rayleigh trong sapphire. Nguồn gốc của nó được để lại cho các nghiên cứu sau.

Những điều khoản nhỏ

Chính các tác giả nêu rõ các giới hạn. Khẳng định về megabar dựa trên mô phỏng, không phải một phép chẩn đoán áp suất trực tiếp. Các phương trình trạng thái dùng cho nước và sapphire lấy từ các báo cáo nội bộ của Livermore, không phải các nguồn công khai đã qua bình duyệt, nên thang áp suất tuyệt đối không thể được kiểm tra độc lập. Phép khớp dùng một tham số tự do và phát bắn mạnh nhất, còn các mô phỏng giả định đối xứng tròn hoàn hảo; nhóm ước tính tiêu điểm thực nhỏ hơn 5 micromet, và mô phỏng vẫn cho áp suất megabar ở cách tâm 5 micromet.

Bước tiếp theo là đo trực tiếp tại tiêu điểm, chẳng hạn bằng tia X để làm lộ ra mật độ của mẫu. Các tác giả cũng thấy còn chỗ để phát triển: nhiều vòng hơn, nhiều năng lượng hơn, phân chia năng lượng giữa các vòng khéo léo hơn — và, bằng cách cố tình làm lệch thời điểm của các vòng, tạo ra một chuỗi sóng xung kích nhẹ nhàng hơn có thể nén vật chất mà ít làm nóng nó hơn.