प्रयोगशाळेच्या टेबलावर दहा लाख वातावरणांचा दाब

एक मेगाबारचा दाब — 100 गिगापास्कल, म्हणजे वातावरणीय दाबाच्या सुमारे दहा लाख पट — पदार्थाचे नियम पुन्हा लिहितो. तो विद्युतरोधकांना धातू, अस्फटिक घन पदार्थांना स्फटिक, आणि क्रियाशील पदार्थांना निष्क्रिय पदार्थ बनवू शकतो. हिऱ्याच्या ऐरणींमध्ये नमुने हळूहळू दाबणे एका विद्यापीठ प्रयोगशाळेच्याही आवाक्यात आहे. आघात-लहरींनी (shock waves) मेगाबार गाठणे ही मात्र वेगळी गोष्ट आहे: त्यासाठी मुख्यतः किलोज्यूल श्रेणीचे लेसर किंवा प्रक्षेपक उडवणाऱ्या वायु-बंदुका लागतात, राष्ट्रीय प्रयोगशाळांमध्ये आणि मोठ्या सुविधांमध्ये, जिथे तासाला, किंवा दिवसाला, काहीच प्रयोग होऊ शकतात.

आघात एकवटणारी प्रकाशाची कडी

मॅसॅच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीमधील कीथ नेल्सन (Keith Nelson) यांच्या गटाने, आर्मी रिसर्च लॅबोरेटरी, रेन विद्यापीठ, मॅसॅच्युसेट्स ॲमहर्स्ट विद्यापीठ आणि लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी येथील सहकाऱ्यांसह, एका ज्ञात युक्तीपासून सुरुवात केली. शंकूच्या आकाराच्या प्रिझमने, म्हणजे ॲक्सिकॉनने (axicon), लेसर स्पंदाला कड्याचा आकार द्यायचा आणि काही दहा मायक्रॉन जाडीच्या द्रवाच्या थरावर केंद्रित करायचा. प्रकाशित कडे बाष्पीभूत होते आणि मध्याकडे एकवटणारी आघात-लहर निर्माण करते. ती जसजशी लहान लहान आकारमानात आकुंचन पावते, तसतसा तिचा दाब झपाट्याने वाढतो. या पद्धतीने एकट्याने काही दहा गिगापास्कलपर्यंत मजल मारली होती.

नवी कल्पना अशी की अनेक कडी, एकापाठोपाठ एक सोडायची: सर्वांत रुंद आधी, मग लहान कडी, काही नॅनोसेकंदांच्या अंतराने. कड्यांचे आकार आणि विलंब असे जुळवले जातात की प्रत्येक नवे कडे नेमके तिथे उजळते जिथून एकवटणारी आघात-लहर जात असते — ही “वेग-जुळवणी” (speed matching) अट. त्यामुळे प्रत्येक कडे स्वतंत्र आघात-लहर निर्माण करण्याऐवजी त्याच आघात-आघाडीला आपला धक्का जोडते.

एका लेसरमधून चार स्पंद

एकच लेसर (1,064 nm, 200 पिकोसेकंदांचे स्पंद, कमाल 100 मिलिज्यूल) प्रत्येकी सुमारे 10 नॅनोसेकंद विलंबित अशा चार स्पंदांमध्ये विभागला जातो, आणि प्रत्येक स्पंद आपल्या स्वतःच्या ॲक्सिकॉन-जोडीतून जातो. नमुन्यावर कड्यांच्या त्रिज्या 169, 134, 105 आणि 75 मायक्रोमीटर आहेत; त्यांच्यातील मोजलेले विलंब 11.1, 10.7 आणि 9.2 नॅनोसेकंद होते. लक्ष्य म्हणजे 5% व्यावसायिक काळ्या शाईने (कार्बन नॅनोकण) गडद केलेला 25 मायक्रोमीटरचा पाण्याचा थर, जो दोन सॅफायर खिडक्यांमध्ये दाबलेला आहे.

एक स्ट्रीक कॅमेरा मध्यातून जाणाऱ्या एका रेषेवर आघात-लहरीचा मागोवा घेतो. एका कड्यासह ती सुमारे 62 नॅनोसेकंदांत केंद्रबिंदूला पोहोचते. प्रत्येक जोडलेल्या कड्याबरोबर, शेवटच्या सुमारे 160 मायक्रोमीटरचा प्रवास लहान होतो: आघात-लहर अधिक वेगाने जाते, म्हणजे ती अधिक प्रबळ असते. उपकरणाने मिनिटाला सुमारे एक प्रयोग केला, ज्याची मर्यादा नमुना हाताने सरकवण्यामुळे होती; सुमारे 1,000 उपयुक्त प्रयोग घेतले गेले.

400 गिगापास्कल — गणनेने काढलेले, अजून मोजलेले नाही

दाब स्वतः मोजलेला नाही. संघाने त्याच कड्यांच्या आकारांसह आणि विलंबांसह द्रवगतिकीय सिम्युलेशन चालवले, आणि एकच घटक — प्रत्येक कडे प्रत्यक्षात किती ऊर्जा जमा करते — सिम्युलेट केलेला आघात-मार्ग मोजलेल्या मार्गाशी जुळेपर्यंत बदलत राहिले. सर्वोत्तम जुळणी प्रत्येक कड्यामागे सुमारे 2 मिलिज्यूलवर मिळाली, आपाती 4.5 पैकी. त्यानंतर सिम्युलेशन केंद्रबिंदूजवळची स्थिती देते: मध्यापासून 1 मायक्रोमीटरवर 400 गिगापास्कलपेक्षा जास्त, घनता प्रति घन सेंटिमीटर 4 ग्रॅम आणि तापमान सुमारे 5,700 केल्विन.

हा लाभ बेरजेपेक्षा जास्त आहे. सिम्युलेशनमध्ये, चार कडी स्वतंत्रपणे सोडली तर त्यांच्या कमाल दाबांची बेरीज फक्त 280 गिगापास्कल होते; क्रमाने सोडली तर ती सुमारे 420 गाठतात. लेखक कड्यांच्या संख्येनुसार कमाल दाब एका घटनात्मक (phenomenological) वक्राने जुळवतात, P = a·exp(N/b) + c, आणि भर देतात की हे तपासलेल्या लहान कक्षेतील वर्णन आहे, सार्वत्रिक नियम नव्हे.

एक विचित्र तपशील अजून स्पष्ट झालेला नाही. आघात-लहर येण्यापूर्वी, लेसर सोडल्यानंतर सुमारे 30 नॅनोसेकंदांनी, नमुन्याचा मध्यभाग गडद होतो — हा वेग सॅफायरमधील रेली लहरींशी जुळतो. त्याचे मूळ पुढील संशोधनासाठी सोडले आहे.

बारीक अक्षरातील अटी

लेखक स्वतःच मर्यादा स्पष्ट करतात. मेगाबारचा दावा सिम्युलेशनवर आधारित आहे, थेट दाब-निदानावर नव्हे. पाणी आणि सॅफायरसाठी वापरलेली अवस्था-समीकरणे लिव्हरमोरच्या अंतर्गत अहवालांमधून आली आहेत, सार्वजनिक समीक्षित स्रोतांमधून नव्हे, त्यामुळे दाबाची निरपेक्ष मोजपट्टी स्वतंत्रपणे तपासता येत नाही. जुळवणीत एक मुक्त घटक आणि सर्वांत प्रबळ प्रयोग वापरला आहे, आणि सिम्युलेशन परिपूर्ण वर्तुळाकार सममिती गृहीत धरतात; संघाचा अंदाज आहे की प्रत्यक्ष केंद्रबिंदू 5 मायक्रोमीटरपेक्षा लहान आहे, आणि सिम्युलेशन मध्यापासून 5 मायक्रोमीटरवरही मेगाबार दाब देते.

पुढची पायरी म्हणजे केंद्रबिंदू थेट मोजणे, उदाहरणार्थ नमुन्याची घनता उघड करणाऱ्या क्ष-किरणांनी. लेखकांना वाढीला वावही दिसतो: अधिक कडी, अधिक ऊर्जा, कड्यांमध्ये त्या ऊर्जेची अधिक हुशारीने वाटणी — आणि कड्यांची वेळ मुद्दाम चुकवून, पदार्थाला कमी तापवत दाबू शकणाऱ्या सौम्य आघातांची मालिका.