ایک وقت میں پانی کا ایک آئن: سردی میں ہائیڈروجن ڈیوٹیریم کو ہرا دیتی ہے

ستاروں کے درمیان، ان بادلوں میں جہاں درجۂ حرارت چند کیلون تک — مطلق صفر سے چند ڈگری اوپر — گر سکتا ہے، کیمیا زیادہ تر باردار اور غیر جانبدار سالموں کے درمیان تعاملات پر چلتی ہے، جنہیں اکثر شروع ہونے کے لیے کسی توانائی کی ضرورت نہیں ہوتی۔ ایک اہم کھلاڑی پانی کا مثبت آئن، H₂O⁺، ہے جو بین النجمی گیس میں پانی بننے کے راستے کا ایک درمیانی مرحلہ ہے۔ جب یہ HD سے ملتا ہے — ہائیڈروجن کا ایسا سالمہ جس کا ایک ایٹم ڈیوٹیریم ہے، یعنی ہائیڈروجن کی بھاری شکل — تو یہ دونوں میں سے کوئی بھی ایٹم چرا سکتا ہے:

• H لے کر H₃O⁺ بن جائے اور ایک D چھوڑ دے؛
• D لے کر H₂DO⁺ بن جائے اور ایک H چھوڑ دے۔

کون سا راستہ اختیار ہوتا ہے، اس سے طے ہوتا ہے کہ خلا میں ڈیوٹیریم سالموں کے درمیان کیسے بٹتا ہے، یعنی اس کی “تقطیر” (fractionation)۔ پچھلے تجربات سے ظاہر ہوا کہ یہ توازن ٹکر کی توانائی پر — اور یوں مقامی درجۂ حرارت پر — بہت زیادہ منحصر ہے۔

تجربہ گاہیں 350 کیلون پر رک گئیں

پچھلی پیمائشیں 0.03 سے 10 الیکٹران وولٹ تک کی ٹکر کی توانائیوں پر محیط تھیں۔ سب سے کم، 0.03 eV، تقریباً 350 کیلون کی گیس میں ٹکر کی عام توانائی ہے: یعنی سرد سالماتی بادلوں سے کئی درجۂ مقدار زیادہ گرم۔ مصنفین کا کہنا ہے کہ نیچے کی طرف اندازہ لگانا خطرناک ہے: سردی میں سرنگ زنی (tunnelling) جیسے کوانٹم اثرات فیصلہ کن بن سکتے ہیں۔ کم درجۂ حرارت کا واحد عدد جو انہیں معلوم ہے، H₃O⁺ کے حق میں 57% بمقابلہ 43%، ایک ایسے جال سے آیا جو 13 کیلون تک پہنچ سکتا تھا، لیکن اس پیمائش کا ٹھیک درجۂ حرارت کبھی بتایا ہی نہیں گیا۔

ایک آئن، ایک ساتھی

یونیورسٹی آف باسل کی نندیتا سنیل کمار (Nanditha Sunil Kumar)، پرینا پالیوال (Prerna Paliwal)، اسٹیفن ولِچ (Stefan Willitsch) اور ان کے ساتھیوں نے، شیان (چین) کی نارتھ ویسٹ یونیورسٹی کے انیانگ لی (Anyang Li)، یونیورسٹی آف نیو میکسیکو (امریکہ) کے ہوا گوؤ (Hua Guo) اور دیگر کے ساتھ مل کر، تعامل کو ایک وقت میں ایک سالمہ دیکھنے کا طریقہ بنایا۔

ان کا ریڈیو فریکوئنسی آئن جال 5.4 کیلون پر ہے، دو ٹھنڈی اشعاعی ڈھالوں کے اندر، تقریباً 4 × 10⁻¹⁴ ملی بار کے خلا میں۔ ہر دور کیلشیم کے چند درجن آئنوں سے شروع ہوتا ہے، جنہیں لیزروں سے اتنا ٹھنڈا کیا جاتا ہے کہ وہ ایک منظم ترتیب میں جم جاتے ہیں جسے کولمب قلم (Coulomb crystal) کہتے ہیں۔ پھر لیزر کی ایک دھڑکن آبی بخارات کی ایک شعاع میں سے ایک سالمے کو قلم کے اندر ایک اکیلے H₂O⁺ آئن میں بدل دیتی ہے۔ کیلشیم آئن لیزروں کی روشنی میں چمکتے ہیں؛ پانی کا آئن نہیں چمکتا، اس لیے ایک تاریک دھبے کی صورت میں نظر آتا ہے۔ صرف ٹھنڈے کیلشیم آئنوں کے ساتھ تعامل سے یہ کیلون کے چند ہزارویں حصے تک ٹھنڈا ہو جاتا ہے۔ پھر ٹیم کیلشیم آئنوں کو نکالتی جاتی ہے یہاں تک کہ صرف ایک جوڑا رہ جائے: ایک کیلشیم، ایک پانی کا آئن۔

آلات کی ترتیب (بائیں)، کیلشیم قلم جو سکڑ کر ایک کیلشیم آئن اور تاریک پانی کے آئن تک رہ گیا (درمیان)، اور تعامل کا لمحہ: کیلشیم آئن کا لرزنا رک جاتا ہے (دائیں)۔ — شکل 1، Sunil Kumar et al. (2026)، arXiv:2610.32904۔

تقریباً 97% خالص HD گیس آہستہ آہستہ اندر چھوڑی جاتی ہے۔ آئن تک پہنچنے سے پہلے اس کے سالمے ٹھنڈی دیواروں سے بار بار ٹکراتے اور چپکتے ہیں، یہاں تک کہ وہ دیواروں کے 5.4 کیلون پر آ جاتے ہیں۔ ٹکر کی توانائی تقریباً پوری کی پوری HD سالموں کی اپنی حرکت سے آتی ہے، آئن اس میں بہت کم اضافہ کرتا ہے: اوسطاً 0.6 ملی الیکٹران وولٹ (الیکٹران وولٹ اکیلے ذرات کے لیے توانائی کی ایک اکائی ہے)، جو اوپر والے 350 کیلون کے ہی پیمانے پر تقریباً 7 کیلون کے برابر ہے۔

پیداوار کو چھوئے بغیر تولنا

کیسے معلوم ہو کہ کون سی پیداوار بنی؟ اس کی کمیت سے۔ آئنوں کا جوڑا جال کی لمبائی میں ایسی فریکوئنسی پر تھرتھراتا ہے جو تاریک آئن کی کمیت پر منحصر ہے: H₂O⁺ کے ساتھ 531.9 کلو ہرٹز، H₃O⁺ کے ساتھ 529.2، H₂DO⁺ کے ساتھ 526.4۔ ٹیم جوڑے کو 531.9 kHz پر ہلاتی ہے؛ کیلشیم آئن کی تصویر دھندلا جاتی ہے۔ جب پانی کا آئن تعامل کرتا ہے تو اس کی کمیت بدل جاتی ہے، ہلانا بے اثر ہو جاتا ہے اور تصویر واضح ہو جاتی ہے۔ باقی دو فریکوئنسیاں آزمانے سے پیداوار کا پتا چل جاتا ہے۔

ایک تعامل عموماً تقریباً 100 سیکنڈ بعد ہوتا ہے۔ خلا میں بچی کھچی ہائیڈروجن بھی آئن کو H₃O⁺ میں بدل سکتی ہے، لیکن اوسطاً صرف تقریباً 4.5 گھنٹے بعد، اس لیے یہ گنتی پر بمشکل اثر ڈالتی ہے۔

271 بمقابلہ 170

16 دنوں میں ٹیم نے 441 تعاملات ریکارڈ کیے: 271 H₃O⁺ اور 170 H₂DO⁺۔ چونکہ گیس کا تقریباً 3% عام ہائیڈروجن، H₂، تھا جو صرف H₃O⁺ ہی دے سکتی ہے، انہوں نے اس کا متوقع حصہ منہا کر دیا۔ نتیجہ: 1.50 ± 0.15 کا تناسب، یعنی تقریباً 60% H₃O⁺ بمقابلہ 40% H₂DO⁺۔ سردی میں ہائیڈروجن کی منتقلی جیتتی ہے، جیسا کہ زیادہ توانائیوں پر بھی دیکھا گیا تھا، اگرچہ ان میں سے بعض کے مقابلے میں کم زور سے۔

بائیں، 16 میں سے ہر دن گنی گئی پیداوار اور روزانہ تناسب۔ دائیں، ٹکر کی توانائی کے مقابلے میں تناسب: نئی پیمائش (نیلا مربع) پچھلے تجربات (سرمئی) سے کہیں کم توانائی پر اور نئی نقلوں (سرخ مثلث) کے پاس ہے۔ — شکل 2، Sunil Kumar et al. (2026)، arXiv:2610.32904۔

ایک کنویں میں پھنسے ہوئے

نتیجے کی تشریح کے لیے ٹیم نے ٹکر کی کمپیوٹر نقلیں چلائیں: 0.9 ملی الیکٹران وولٹ سے 0.9 الیکٹران وولٹ تک ہر ٹکر کی توانائی پر 20,000 نقلی ٹکریں (راستے)۔ پیش گوئی کردہ تناسب توانائی کے ساتھ بڑھتا ہے، تقریباً 40 سے 80 ملی الیکٹران وولٹ پر عروج پر پہنچتا ہے، پھر گرتا ہے۔

دو میکانزم مقابلہ کرتے ہیں۔ زیادہ توانائی پر تعامل براہِ راست ہوتا ہے: ایٹم ایک ہی تیز گزر میں جھپٹ لیا جاتا ہے، فریقین ایک ساتھ ٹھہرتے نہیں۔ کم توانائی پر زیادہ تر ٹکریں تعامل سے پہلے کچھ دیر کے لیے توانائی کے منظر نامے کے ایک گڑھے میں — باہمی کشش سے ایک ساتھ بندھی ہوئی، جیسے کسی کٹورے میں کنچا — پھنس جاتی ہیں۔ وہاں ٹکر کی توانائی عارضی مرکب کی تھرتھراہٹوں میں پھیل جاتی ہے، اور ہائیڈروجن کی ترجیح ماند پڑ جاتی ہے۔ مرکب جتنی دیر زندہ رہے، ترجیح اتنی ہی کمزور: تقریباً 10 کیلون پر نقلوں میں، پھنسنے والی ٹکروں میں تناسب سب سے مختصر قیام کے لیے 1.35 سے گر کر سب سے طویل قیام کے لیے 1.21 رہ جاتا ہے۔

ایک فرق جو کھلا رہ گیا

نقلیں 0.9 ملی الیکٹران وولٹ (تقریباً 10 کیلون) پر 1.15 دیتی ہیں؛ تجربہ 1.50 دیتا ہے۔ مصنفین اسے کیفی (qualitative) مطابقت کہتے ہیں۔ یہ فرق ان کوانٹم اثرات سے آ سکتا ہے جنہیں نقلیں شامل نہیں کرتیں، جیسے ہائیڈروجن کی سرنگ زنی، یا حساب کیے گئے توانائی کے منظر نامے کی غلطیوں سے۔ یہ خود گیس سے بھی آ سکتا ہے: تقریباً 10 کیلون سے نیچے H₂ اور HD دیواروں اور اس فعال کوئلے (activated charcoal) سے، جو بھٹکی ہوئی گیس کو پمپ کر کے نکالنے کے لیے استعمال ہوتا ہے، مختلف انداز میں چپک سکتی ہیں؛ ان درجۂ حرارت پر اس کوئلے کا رویہ معلوم نہیں۔ مصنفین لکھتے ہیں کہ اگر فرض کیے گئے 3% سے زیادہ H₂ آئن تک پہنچی تو 1.50 کا ناپا گیا تناسب حد سے زیادہ اندازہ ہو سکتا ہے۔