实验台上的百万个大气压

一兆巴的压力——100吉帕，大约是大气压的一百万倍——会改写物质的规则。它能把绝缘体变成金属，把非晶固体变成晶体，把活泼的物质变得惰性。用金刚石对顶砧缓慢挤压样品，单个大学实验室就能做到。但要用冲击波达到兆巴，就是另一回事了：这主要依赖千焦级激光器或发射弹丸的气炮，它们位于国家实验室和大型装置中，每小时或每天只能打几发。

让冲击波聚焦的光环

麻省理工学院Keith Nelson的研究组，与美国陆军研究实验室、雷恩大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事一起，从一个已知的技巧出发：用轴棱锥（axicon，一种锥形棱镜）把激光脉冲整形成一个圆环，聚焦到几十微米厚的液体层上。被照亮的圆环汽化，发出一道向中心汇聚的冲击波。随着它收缩到越来越小的体积中，压力急剧攀升。单靠这种方法，已经能达到几十吉帕。

新的想法是一个接一个地发射多个光环：最宽的先发射，然后是更小的，彼此相隔几纳秒。光环的大小和延迟经过调节，使每个新光环恰好在汇聚冲击波经过的位置亮起——这称为“速度匹配”条件。这样，每个光环都会把自己的推力叠加到同一个冲击波前沿上，而不是另外激发一道冲击波。

一台激光器，四个脉冲

一台激光器（波长1,064纳米，脉冲宽度200皮秒，最大能量100毫焦）被分成四个脉冲，每个依次延迟约10纳秒，各自穿过一对轴棱锥。在样品上，光环的半径分别为169、134、105和75微米；实测的光环间延迟为11.1、10.7和9.2纳秒。靶是一层25微米厚的水，加入5%的市售黑墨水（碳纳米颗粒）使其变暗，夹在两块蓝宝石窗片之间。

一台条纹相机沿着一条穿过中心的直线追踪冲击波。只有一个光环时，冲击波大约62纳秒到达焦点。每增加一个光环，走完最后约160微米所需的时间就更短：冲击波走得更快，也就更强。这套装置大约每分钟打一发，限制因素是要手动移动样品；共获得约1,000发有效数据。

400吉帕——计算所得，尚未实测

压力本身并没有被测量。团队用同样的光环尺寸和延迟进行了流体动力学模拟，只调节一个参数——每个光环实际沉积的能量——直到模拟的冲击波轨迹与实测轨迹吻合。最佳吻合出现在每个光环约2毫焦，而入射能量为4.5毫焦。模拟随后给出了焦点附近的状态：距中心1微米处压力超过400吉帕，密度为每立方厘米4克，温度约5,700开尔文。

增益超过了简单相加。在模拟中，如果四个光环分别单独发射，它们各自的峰值压力加起来只有280吉帕；而依次发射时，能达到约420吉帕。作者用一条唯象曲线P = a·exp(N/b) + c拟合了峰值压力与光环数量的关系，并强调这只是对所探索的小范围的描述，而不是普适规律。

还有一个奇怪的细节尚未得到解释。在冲击波到达之前，样品中心会在激光发射后约30纳秒变暗——这一速度与蓝宝石中的瑞利波相符。其成因留待今后研究。

附加说明

作者亲自列出了局限。兆巴的结论依赖于模拟，而不是直接的压力诊断。所用的水和蓝宝石的状态方程来自利弗莫尔实验室的内部报告，而不是公开的同行评审文献，因此绝对压力标度无法被独立核查。拟合使用了一个自由参数和最强的那一发，模拟还假设了完美的圆对称；团队估计真实焦斑小于5微米，而模拟在距中心5微米处给出的压力仍达到兆巴级。

下一步是直接测量焦点，例如用能揭示样品密度的X射线。作者也看到了提升空间：更多的光环、更多的能量、更巧妙地在光环之间分配能量——以及故意错开光环的时序，产生一系列较温和的冲击波，在压缩物质的同时减少加热。