গবেষণাগারের টেবিলে দশ লক্ষ বায়ুমণ্ডল

এক মেগাবার চাপ — 100 গিগাপ্যাসকাল, মোটামুটি বায়ুমণ্ডলীয় চাপের দশ লক্ষ গুণ — পদার্থের নিয়ম নতুন করে লেখে। এটি অন্তরককে ধাতুতে, অনিয়তাকার কঠিনকে কেলাসে, সক্রিয় পদার্থকে নিষ্ক্রিয় পদার্থে পরিণত করতে পারে। হীরার নেহাইয়ের (diamond anvil) মাঝে নমুনাকে ধীরে ধীরে চেপে ধরা একটিমাত্র বিশ্ববিদ্যালয় গবেষণাগারের সাধ্যের মধ্যে। কিন্তু অভিঘাত তরঙ্গ (shock wave) দিয়ে মেগাবারে পৌঁছানো আলাদা ব্যাপার: এটি মূলত নির্ভর করে কিলোজুল শ্রেণির লেজার বা প্রক্ষেপক ছোড়া গ্যাস-কামানের ওপর, যা জাতীয় গবেষণাগার ও বড় স্থাপনায় থাকে এবং ঘণ্টায়, বা দিনে, মাত্র কয়েকটি শট চালাতে পারে।

আলোর বলয় যা অভিঘাতকে কেন্দ্রীভূত করে

ম্যাসাচুসেটস ইনস্টিটিউট অব টেকনোলজিতে কিথ নেলসনের (Keith Nelson) দল, আর্মি রিসার্চ ল্যাবরেটরি, রেন বিশ্ববিদ্যালয়, ম্যাসাচুসেটস অ্যামহার্স্ট বিশ্ববিদ্যালয় ও লরেন্স লিভারমোর ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির সহকর্মীদের সঙ্গে মিলে, একটি জানা কৌশল থেকে শুরু করেছে। একটি অ্যাক্সিকন (axicon), অর্থাৎ শঙ্কু-আকৃতির প্রিজম, দিয়ে লেজার স্পন্দনকে বলয়ের আকার দিন এবং কয়েক দশ মাইক্রন পুরু তরল স্তরে কেন্দ্রীভূত করুন। আলোকিত বলয়টি বাষ্পীভূত হয়ে একটি অভিঘাত তরঙ্গ ছাড়ে, যা কেন্দ্রের দিকে সংকুচিত হয়। ক্রমশ ছোট আয়তনে সংকুচিত হতে হতে তার চাপ খাড়াভাবে বাড়ে। শুধু এই পদ্ধতিতেই কয়েক দশ গিগাপ্যাসকাল পর্যন্ত পৌঁছানো গিয়েছিল।

নতুন ধারণা হলো একাধিক বলয়, একটির পর একটি ছোড়া: প্রথমে সবচেয়ে চওড়াটি, তারপর ছোটগুলো, কয়েক ন্যানোসেকেন্ড ব্যবধানে। বলয়ের আকার ও বিলম্ব এমনভাবে সাজানো হয় যাতে প্রতিটি নতুন বলয় ঠিক সেখানেই জ্বলে ওঠে যেখান দিয়ে সংকুচিত অভিঘাত যাচ্ছে — একটি “গতি-মেলানো” (speed matching) শর্ত। তখন প্রতিটি বলয় আলাদা অভিঘাত না ছেড়ে একই অভিঘাত-সম্মুখে (shock front) নিজের ধাক্কা যোগ করে।

একটি লেজার থেকে চারটি স্পন্দন

একটিমাত্র লেজার (1,064 nm, 200 পিকোসেকেন্ডের স্পন্দন, সর্বোচ্চ 100 মিলিজুল) চারটি স্পন্দনে ভাগ হয়, প্রতিটি প্রায় 10 ন্যানোসেকেন্ড করে বিলম্বিত, এবং প্রতিটি নিজস্ব এক জোড়া অ্যাক্সিকনের মধ্য দিয়ে যায়। নমুনার ওপর বলয়গুলোর ব্যাসার্ধ 169, 134, 105 ও 75 মাইক্রোমিটার; তাদের মধ্যে মাপা বিলম্ব ছিল 11.1, 10.7 ও 9.2 ন্যানোসেকেন্ড। লক্ষ্যবস্তু হলো পানির 25 মাইক্রোমিটার পুরু একটি স্তর, 5% বাণিজ্যিক কালো কালি (কার্বন ন্যানোকণা) মিশিয়ে কালচে করা, দুটি নীলকান্তমণির (sapphire) জানালার মাঝে চেপে রাখা।

একটি স্ট্রিক ক্যামেরা কেন্দ্রের মধ্য দিয়ে যাওয়া একটি রেখা বরাবর অভিঘাতকে অনুসরণ করে। একটি বলয়ে সেটি প্রায় 62 ন্যানোসেকেন্ডে ফোকাসে পৌঁছায়। প্রতিটি বাড়তি বলয়ের সঙ্গে শেষ প্রায় 160 মাইক্রোমিটারের যাত্রা ছোট হয়: অভিঘাত দ্রুত চলছে, অর্থাৎ সেটি আরও শক্তিশালী। ব্যবস্থাটি মোটামুটি মিনিটে একটি শট চালাত, যার সীমা ছিল নমুনাকে হাতে সরানো; প্রায় 1,000টি কাজের শট নেওয়া হয়েছে।

400 গিগাপ্যাসকাল — হিসাব করা, এখনও মাপা নয়

চাপ নিজে মাপা হয়নি। দলটি একই বলয়-আকার ও বিলম্ব দিয়ে হাইড্রোডাইনামিক সিমুলেশন চালিয়েছে, শুধু একটি প্যারামিটার — প্রতিটি বলয় বাস্তবে যত শক্তি জমা করে — সমন্বয় করেছে, যতক্ষণ না সিমুলেটেড অভিঘাত-পথ মাপা পথের সঙ্গে মিলেছে। সবচেয়ে ভালো মিল এসেছে প্রতি বলয়ে প্রায় 2 মিলিজুলে, যেখানে আপতিত শক্তি ছিল 4.5। এরপর সিমুলেশন ফোকাসের কাছের অবস্থা জানায়: কেন্দ্র থেকে 1 মাইক্রোমিটার দূরে 400 গিগাপ্যাসকালের বেশি, প্রতি ঘন সেন্টিমিটারে 4 গ্রাম ঘনত্ব এবং প্রায় 5,700 কেলভিন।

লাভটা যোগফলের চেয়েও বেশি। সিমুলেশনে চারটি বলয় আলাদা আলাদা ছোড়া হলে তাদের সর্বোচ্চ চাপের যোগফল হতো মাত্র 280 গিগাপ্যাসকাল; পরপর ছোড়া হলে তারা প্রায় 420-এ পৌঁছায়। লেখকেরা বলয়ের সংখ্যার সাপেক্ষে সর্বোচ্চ চাপকে একটি প্রপঞ্চগত বক্ররেখা P = a·exp(N/b) + c দিয়ে মেলান, এবং জোর দেন যে এটি অনুসন্ধান করা ছোট পরিসরের একটি বর্ণনা, কোনো সর্বজনীন নিয়ম নয়।

একটি অদ্ভুত খুঁটিনাটি এখনও ব্যাখ্যাহীন। অভিঘাত পৌঁছানোর আগেই, লেজার ছোড়ার প্রায় 30 ন্যানোসেকেন্ড পরে, নমুনার কেন্দ্র কালো হয়ে যায় — এমন এক গতিতে যা নীলকান্তমণিতে র‍্যালে তরঙ্গের (Rayleigh wave) সঙ্গে মেলে। এর উৎস ভবিষ্যতের কাজের জন্য রাখা হয়েছে।

খুঁটিনাটি শর্ত

লেখকেরা নিজেরাই সীমাবদ্ধতাগুলো খুলে বলেন। মেগাবারের দাবি সিমুলেশনের ওপর নির্ভর করে, সরাসরি চাপ-পরিমাপের ওপর নয়। পানি ও নীলকান্তমণির জন্য ব্যবহৃত অবস্থা-সমীকরণ লিভারমোরের অভ্যন্তরীণ প্রতিবেদন থেকে নেওয়া, প্রকাশ্য সমকক্ষ-পর্যালোচিত উৎস থেকে নয়, তাই পরম চাপের মাপকাঠি স্বাধীনভাবে যাচাই করা যায় না। মেলানোর কাজে একটি মুক্ত প্যারামিটার ও সবচেয়ে শক্তিশালী শটটি ব্যবহৃত হয়েছে, আর সিমুলেশন নিখুঁত বৃত্তীয় প্রতিসাম্য ধরে নেয়; দলের অনুমান, প্রকৃত ফোকাল বিন্দু 5 মাইক্রোমিটারের চেয়ে ছোট, এবং সিমুলেশন কেন্দ্র থেকে 5 মাইক্রোমিটার দূরেও মেগাবার চাপ দেয়।

পরের ধাপ হলো ফোকাস সরাসরি মাপা, যেমন এক্স-রে দিয়ে, যা নমুনার ঘনত্ব দেখায়। লেখকেরা বাড়ার সুযোগও দেখেন: আরও বলয়, আরও শক্তি, বলয়গুলোর মধ্যে সেই শক্তির আরও বুদ্ধিদীপ্ত বণ্টন — এবং ইচ্ছাকৃতভাবে বলয়ের সময় এলোমেলো করে, একের পর এক মৃদু অভিঘাত, যা পদার্থকে কম উত্তপ্ত করে সংকুচিত করতে পারে।