प्रयोगशाला की मेज़ पर दस लाख वायुमंडल

एक मेगाबार का दाब — 100 गीगापास्कल, यानी वायुमंडलीय दाब का लगभग दस लाख गुना — पदार्थ के नियम बदल देता है। यह कुचालकों को धातु में, अक्रिस्टलीय ठोसों को क्रिस्टल में, और क्रियाशील पदार्थों को निष्क्रिय पदार्थों में बदल सकता है। हीरे की निहाइयों (diamond anvils) के बीच नमूनों को धीरे-धीरे दबाना किसी एक विश्वविद्यालय प्रयोगशाला की पहुँच में है। लेकिन आघात तरंगों (shock waves) से मेगाबार तक पहुँचना अलग बात है: यह मुख्यतः किलोजूल श्रेणी के लेज़रों या प्रक्षेप्य दागने वाली गैस-तोपों पर निर्भर है, जो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं और बड़ी सुविधाओं में हैं और प्रति घंटे, या प्रति दिन, कुछ ही शॉट चला पाती हैं।

आघात को केंद्रित करने वाले प्रकाश-वलय

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी में कीथ नेल्सन (Keith Nelson) के समूह ने, आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी, रेन विश्वविद्यालय, मैसाचुसेट्स एमहर्स्ट विश्वविद्यालय और लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी के सहयोगियों के साथ, एक जानी-मानी तरकीब से शुरुआत की। एक ऐक्सिकॉन (axicon), यानी शंकु के आकार के प्रिज़्म, से लेज़र स्पंद को वलय का आकार दें और उसे कुछ दसियों माइक्रॉन मोटी द्रव परत पर केंद्रित करें। प्रकाशित वलय वाष्पित हो जाता है और एक आघात तरंग छोड़ता है जो केंद्र की ओर सिमटती है। जैसे-जैसे वह छोटे से छोटे आयतन में सिकुड़ती है, उसका दाब तेज़ी से चढ़ता है। अकेले इस तरीक़े से दसियों गीगापास्कल तक पहुँचा जा चुका था।

नया विचार है कई वलय, एक के बाद एक दागना: पहले सबसे चौड़ा, फिर छोटे वलय, कुछ नैनोसेकंड के अंतर पर। वलयों के आकार और देरी इस तरह साधे जाते हैं कि हर नया वलय ठीक वहीं चमके जहाँ से सिमटती आघात तरंग गुज़र रही है — एक “गति-मिलान” (speed matching) शर्त। तब हर वलय अलग आघात छोड़ने के बजाय उसी आघात-अग्र (shock front) में अपना धक्का जोड़ देता है।

एक लेज़र से चार स्पंद

एक ही लेज़र (1,064 nm, 200 पिकोसेकंड के स्पंद, अधिकतम 100 मिलीजूल) को चार स्पंदों में बाँटा जाता है, जिनमें हर एक लगभग 10 नैनोसेकंड की देरी से आता है, और हर स्पंद ऐक्सिकॉन की अपनी जोड़ी से गुज़रता है। नमूने पर वलयों की त्रिज्याएँ 169, 134, 105 और 75 माइक्रोमीटर हैं; उनके बीच मापी गई देरियाँ 11.1, 10.7 और 9.2 नैनोसेकंड थीं। लक्ष्य है पानी की 25 माइक्रोमीटर मोटी परत, जिसे 5% व्यावसायिक काली स्याही (कार्बन नैनोकणों) से गहरा किया गया है और नीलम (sapphire) की दो खिड़कियों के बीच दबाया गया है।

एक स्ट्रीक कैमरा केंद्र से गुज़रती एक रेखा पर आघात का पीछा करता है। एक वलय के साथ वह लगभग 62 नैनोसेकंड में फ़ोकस तक पहुँचता है। हर जोड़े गए वलय के साथ आख़िरी लगभग 160 माइक्रोमीटर का सफ़र छोटा होता जाता है: आघात तेज़ चल रहा है, यानी वह ज़्यादा प्रबल है। यह व्यवस्था लगभग हर मिनट एक शॉट चलाती थी, जिसकी सीमा नमूने को हाथ से खिसकाना थी; लगभग 1,000 उपयोगी शॉट लिए गए।

400 गीगापास्कल — गणना से, अभी मापे नहीं गए

दाब ख़ुद मापा नहीं गया है। टीम ने उन्हीं वलय-आकारों और देरियों के साथ द्रवगतिकीय (hydrodynamic) सिमुलेशन चलाए, केवल एक प्राचल — हर वलय वास्तव में जितनी ऊर्जा जमा करता है — को तब तक समायोजित किया जब तक सिमुलेट किया गया आघात-पथ मापे गए पथ से मेल नहीं खा गया। सबसे अच्छा मेल प्रति वलय लगभग 2 मिलीजूल पर मिला, जबकि आपतित ऊर्जा 4.5 थी। फिर सिमुलेशन फ़ोकस के पास की स्थितियाँ बताता है: केंद्र से 1 माइक्रोमीटर पर 400 गीगापास्कल से अधिक, 4 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर का घनत्व और लगभग 5,700 केल्विन।

लाभ जोड़ से भी ज़्यादा है। सिमुलेशनों में, चारों वलय अलग-अलग दागे जाएँ तो उनके शिखर दाबों का जोड़ केवल 280 गीगापास्कल होता; क्रम से दागे जाने पर वे लगभग 420 तक पहुँचते हैं। लेखक वलयों की संख्या के सापेक्ष शिखर दाब को एक परिघटनात्मक वक्र P = a·exp(N/b) + c से फ़िट करते हैं, और ज़ोर देते हैं कि यह खोजी गई छोटी सीमा का वर्णन है, कोई सार्वभौमिक नियम नहीं।

एक अजीब बात अब तक अनसुलझी है। आघात पहुँचने से पहले, लेज़र दागने के लगभग 30 नैनोसेकंड बाद, नमूने का केंद्र काला पड़ जाता है — एक ऐसी गति जो नीलम में रेले तरंगों (Rayleigh waves) से मेल खाती है। इसका स्रोत भविष्य के काम पर छोड़ दिया गया है।

बारीक शर्तें

लेखक ख़ुद सीमाएँ स्पष्ट करते हैं। मेगाबार का दावा सिमुलेशन पर टिका है, किसी प्रत्यक्ष दाब-मापन पर नहीं। पानी और नीलम के लिए इस्तेमाल किए गए अवस्था-समीकरण लिवरमोर की आंतरिक रिपोर्टों से आए हैं, सार्वजनिक सहकर्मी-समीक्षित स्रोतों से नहीं, इसलिए निरपेक्ष दाब-पैमाने की स्वतंत्र जाँच नहीं हो सकती। फ़िट में एक मुक्त प्राचल और सबसे प्रबल शॉट का उपयोग हुआ है, और सिमुलेशन पूर्ण वृत्तीय सममिति मानते हैं; टीम का अनुमान है कि वास्तविक फ़ोकल बिंदु 5 माइक्रोमीटर से छोटा है, और सिमुलेशन केंद्र से 5 माइक्रोमीटर पर भी मेगाबार दाब देता है।

अगला क़दम फ़ोकस को सीधे मापना है, उदाहरण के लिए एक्स-किरणों से जो नमूने का घनत्व दिखाती हैं। लेखक बढ़ने की गुंजाइश भी देखते हैं: ज़्यादा वलय, ज़्यादा ऊर्जा, वलयों के बीच उस ऊर्जा का ज़्यादा समझदारी भरा बँटवारा — और, वलयों का समय जानबूझकर बिगाड़कर, हल्के आघातों की एक शृंखला जो पदार्थ को कम गर्म करते हुए दबा सके।