ప్రయోగశాల బల్లపై పది లక్షల వాతావరణాల పీడనం

ఒక మెగాబార్ పీడనం — 100 గిగాపాస్కల్స్, వాతావరణ పీడనానికి సుమారు పది లక్షల రెట్లు — పదార్థ నియమాలను తిరగరాస్తుంది. అది విద్యుత్ నిరోధకాలను లోహాలుగా, నిరాకార ఘనపదార్థాలను స్ఫటికాలుగా, చురుకైన పదార్థాలను జడ పదార్థాలుగా మార్చగలదు. వజ్రపు దిమ్మెల మధ్య నమూనాలను నెమ్మదిగా నొక్కడం ఒక్క విశ్వవిద్యాలయ ప్రయోగశాలకు కూడా అందుబాటులో ఉంది. షాక్ తరంగాలతో మెగాబార్‌ను చేరడం వేరే కథ: దానికి ప్రధానంగా కిలోజౌల్ స్థాయి లేజర్లు లేదా ప్రక్షేపకాలను పేల్చే గ్యాస్ తుపాకులు కావాలి, అవి జాతీయ ప్రయోగశాలల్లో, పెద్ద సౌకర్యాల్లో ఉంటాయి, అక్కడ గంటకు, లేదా రోజుకు, కొన్ని షాట్లు మాత్రమే సాధ్యం.

షాక్‌ను కేంద్రీకరించే కాంతి వలయాలు

మసాచుసెట్స్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీలోని కీత్ నెల్సన్ (Keith Nelson) బృందం, ఆర్మీ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ, రెన్ విశ్వవిద్యాలయం, మసాచుసెట్స్ ఆమ్‌హర్స్ట్ విశ్వవిద్యాలయం, లారెన్స్ లివర్‌మోర్ నేషనల్ లాబొరేటరీ సహచరులతో కలిసి, ఒక తెలిసిన ఉపాయంతో మొదలుపెట్టింది. శంకు ఆకారపు పట్టకమైన ఆక్సికాన్ (axicon) తో లేజర్ పల్స్‌ను వలయ ఆకారంలోకి మార్చి, కొన్ని పదుల మైక్రాన్ల మందం ఉన్న ద్రవ పొరపై కేంద్రీకరించాలి. వెలుగు పడిన వలయం ఆవిరై, మధ్యకు కేంద్రీకృతమయ్యే షాక్ తరంగాన్ని ప్రారంభిస్తుంది. అది చిన్నదైపోతున్న ఘనపరిమాణంలోకి కుంచించుకుపోతున్న కొద్దీ, దాని పీడనం వేగంగా పెరుగుతుంది. ఈ విధానం ఒక్కటే పదుల గిగాపాస్కల్స్‌కు చేరింది.

కొత్త ఆలోచన ఏమిటంటే అనేక వలయాలను, ఒకదాని తర్వాత ఒకటి ప్రయోగించడం: అతి వెడల్పైనది ముందు, తర్వాత చిన్నవి, కొన్ని నానోసెకన్ల వ్యవధిలో. కేంద్రీకృతమయ్యే షాక్ సరిగ్గా దాటుతున్న చోటే ప్రతి కొత్త వలయం వెలిగేలా వలయాల పరిమాణాలు, ఆలస్యాలను సర్దుబాటు చేస్తారు — ఇదే “వేగ సరిపోలిక” (speed matching) షరతు. అప్పుడు ప్రతి వలయం వేరే షాక్‌ను ప్రారంభించకుండా, అదే షాక్ ముందుభాగానికి తన తోపును జోడిస్తుంది.

ఒకే లేజర్ నుంచి నాలుగు పల్స్‌లు

ఒకే లేజర్ (1,064 nm, 200 పికోసెకన్ల పల్స్‌లు, గరిష్ఠంగా 100 మిల్లీజౌల్స్) ఒక్కొక్కటి సుమారు 10 నానోసెకన్లు ఆలస్యమైన నాలుగు పల్స్‌లుగా విభజించబడుతుంది, ప్రతిదీ తన సొంత ఆక్సికాన్ జతగుండా వెళ్తుంది. నమూనాపై వలయాల వ్యాసార్ధాలు 169, 134, 105, 75 మైక్రోమీటర్లు; వాటి మధ్య కొలిచిన ఆలస్యాలు 11.1, 10.7, 9.2 నానోసెకన్లు. లక్ష్యం 5% వాణిజ్య నల్ల సిరాతో (కార్బన్ నానోకణాలు) నల్లగా చేసిన 25 మైక్రోమీటర్ల నీటి పొర, దాన్ని రెండు సఫైర్ కిటికీల మధ్య నొక్కి ఉంచారు.

ఒక స్ట్రీక్ కెమెరా మధ్య గుండా వెళ్లే ఒక రేఖ వెంట షాక్‌ను అనుసరిస్తుంది. ఒక్క వలయంతో, అది సుమారు 62 నానోసెకన్లలో నాభిని చేరుతుంది. ప్రతి అదనపు వలయంతో, చివరి సుమారు 160 మైక్రోమీటర్ల ప్రయాణం తగ్గుతుంది: షాక్ వేగంగా కదులుతోంది, అంటే అది బలంగా ఉంది. నమూనాను చేతితో కదపాల్సి రావడం వల్ల పరికరం నిమిషానికి సుమారు ఒక షాట్ మాత్రమే ప్రయోగించింది; దాదాపు 1,000 ఉపయోగకరమైన షాట్లు తీశారు.

400 గిగాపాస్కల్స్ — లెక్కించినవి, ఇంకా కొలవనివి

పీడనాన్ని నేరుగా కొలవలేదు. బృందం అవే వలయ పరిమాణాలు, ఆలస్యాలతో ద్రవగతిక సిమ్యులేషన్లు నడిపి, ఒకే ఒక్క పరామితిని — ప్రతి వలయం వాస్తవంగా నిక్షేపించే శక్తిని — సిమ్యులేట్ చేసిన షాక్ మార్గం కొలిచిన మార్గంతో సరిపోయే వరకు సర్దుబాటు చేసింది. ఉత్తమ సరిపోలిక, పడిన 4.5 మిల్లీజౌల్స్‌కు గాను, ఒక్కో వలయానికి సుమారు 2 మిల్లీజౌల్స్ వద్ద వచ్చింది. అప్పుడు సిమ్యులేషన్ నాభి దగ్గరి పరిస్థితులను ఇస్తుంది: మధ్య నుంచి 1 మైక్రోమీటర్ దూరంలో 400 గిగాపాస్కల్స్ కంటే ఎక్కువ, ఘనపు సెంటీమీటరుకు 4 గ్రాముల సాంద్రత, సుమారు 5,700 కెల్విన్.

లాభం కూడిక కంటే ఎక్కువ. సిమ్యులేషన్లలో, నాలుగు వలయాలను విడివిడిగా ప్రయోగిస్తే వాటి గరిష్ఠ పీడనాల మొత్తం కేవలం 280 గిగాపాస్కల్స్; వరుసగా ప్రయోగిస్తే అవి సుమారు 420 చేరతాయి. రచయితలు వలయాల సంఖ్యకు వ్యతిరేకంగా గరిష్ఠ పీడనాన్ని ఒక దృగ్విషయ (phenomenological) వక్రంతో సరిపోల్చారు, P = a·exp(N/b) + c, ఇది పరిశీలించిన చిన్న పరిధిలోని వర్ణన మాత్రమే, సార్వత్రిక నియమం కాదని నొక్కి చెబుతారు.

ఒక విచిత్రమైన వివరం ఇంకా వివరించబడలేదు. షాక్ రాకముందే, లేజర్ ప్రయోగించిన సుమారు 30 నానోసెకన్ల తర్వాత, నమూనా మధ్యభాగం నల్లబడుతుంది — ఆ వేగం సఫైర్‌లోని రేలీ తరంగాలతో సరిపోతుంది. దాని మూలాన్ని భవిష్యత్ పరిశోధనకు వదిలేశారు.

చిన్న అక్షరాల్లోని షరతులు

రచయితలే పరిమితులను స్పష్టంగా చెబుతారు. మెగాబార్ వాదన సిమ్యులేషన్‌పై ఆధారపడింది, నేరుగా పీడనాన్ని నిర్ధారించే కొలతపై కాదు. నీరు, సఫైర్‌లకు వాడిన స్థితి సమీకరణాలు లివర్‌మోర్ అంతర్గత నివేదికల నుంచి వచ్చాయి, బహిరంగంగా సమీక్షించిన మూలాల నుంచి కాదు, కాబట్టి పీడనపు సంపూర్ణ కొలమానాన్ని స్వతంత్రంగా తనిఖీ చేయలేం. సరిపోలికలో ఒక స్వేచ్ఛా పరామితి, అత్యంత బలమైన షాట్ వాడారు, సిమ్యులేషన్లు సంపూర్ణ వృత్తాకార సౌష్ఠవాన్ని ఊహిస్తాయి; వాస్తవ నాభి బిందువు 5 మైక్రోమీటర్ల కంటే చిన్నదని బృందం అంచనా వేస్తుంది, సిమ్యులేషన్ మధ్య నుంచి 5 మైక్రోమీటర్ల దూరంలో కూడా మెగాబార్ పీడనాలనే ఇస్తుంది.

తదుపరి అడుగు నాభిని నేరుగా కొలవడం, ఉదాహరణకు నమూనా సాంద్రతను బయటపెట్టే ఎక్స్-కిరణాలతో. రచయితలు ఎదుగుదలకు అవకాశం కూడా చూస్తున్నారు: మరిన్ని వలయాలు, మరింత శక్తి, వలయాల మధ్య ఆ శక్తిని తెలివిగా పంచడం — ఇంకా, వలయాల సమయాన్ని ఉద్దేశపూర్వకంగా తప్పించడం ద్వారా, పదార్థాన్ని తక్కువగా వేడి చేస్తూ సంపీడనం చేయగల మృదువైన షాక్‌ల వరుస.