Физики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) экспериментально определили, как алмаз плавится при экстремальных условиях – давлении, втрое превышающем давление в ядре Земли, и температуре выше, чем на поверхности Солнца. Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, устранили двадцатилетние расхождения между теорией и предыдущими опытами, а также открывают перспективы для повышения эффективности термоядерного синтеза.
В ходе эксперимента в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета учёные с помощью мощных лазеров создавали в образцах алмаза ударную волну сжатия. Впервые за время таких исследований им удалось с помощью рентгеновской дифракции в реальном времени проследить за изменением атомной структуры материала. Весь процесс занимал около миллиардной доли секунды.
Новые данные разрешили давний спор о температуре плавления алмаза. Предыдущие эксперименты давали результат, который расходился с теоретическими моделями примерно на 20%. Обновлённые, более точные измерения почти полностью совпали с расчётами, основанными на квантовой механике. При этом подтвердился ранее сделанный вывод: жидкий углерод плотнее твёрдого алмаза, поэтому при сверхвысоком давлении алмаз будет плавать в собственном расплаве, подобно льду в воде.
Исследование также опровергло гипотезу о том, что перед плавлением алмаз переходит в некую промежуточную кристаллическую фазу. Эксперименты показали, что при воздействии одиночной ударной волны углерод сохраняет алмазную структуру вплоть до перехода в жидкое состояние. По мнению авторов, у материала просто не хватает времени на перестройку кристаллической решётки.
Полученные результаты могут напрямую повлиять на исследования в области инерциального термоядерного синтеза. В этих установках лазеры сжимают крошечную алмазную капсулу с топливом. Новые данные показывают, что для полного и равномерного плавления капсулы можно использовать менее мощный первоначальный импульс. Более медленное сжатие позволит эффективнее уплотнить топливо, что, по предварительным оценкам, может утроить выход энергии.
Кроме того, работа поможет точнее моделировать процессы в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. Согласно одной из теорий, глубоко внутри этих планет из углерода формируются алмазы, которые затем опускаются к ядру, образуя «алмазные дожди». Поскольку в лаборатории удалось превзойти давление, характерное для этих планет, новые данные станут более надёжной основой для планетарных моделей.
