Ученые расплавили алмаз при давлении выше, чем в недрах Нептуна

Американские ученые подвергли алмаз давлению, превышающему условия в центре Нептуна и Урана, и смогли непосредственно проследить за его плавлением. Эксперимент помог разрешить научное противоречие, сохранявшееся около 20 лет. Полученные результаты могут оказаться полезными для развития термоядерной энергетики и изучения предполагаемых алмазных дождей в недрах планет-гигантов. Исследование специалистов Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса опубликовано в журнале Nature Physics. Ученые разогрели крошечные образцы алмаза до температуры выше, чем на поверхности Солнца, и создали давление, приблизительно втрое превышающее давление в центре Земли.

Алмаз представляет интерес не только как драгоценный камень. Благодаря своей прочности он используется для изготовления миниатюрных капсул с топливом в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу. Кроме того, ученые предполагают, что алмазы могут формироваться глубоко внутри Урана и Нептуна, а затем опускаться в недра этих планет в виде необычного «дождя». Однако для точного моделирования подобных процессов необходимо понимать, как углерод ведет себя при экстремальных температурах и давлениях. На протяжении двух десятилетий лабораторные измерения не совпадали с результатами теоретических расчетов.

Около 20 лет назад исследователи из Ливерморской лаборатории провели первые эксперименты по плавлению алмаза под высоким давлением. Они обнаружили необычное свойство: после плавления углерод становился плотнее. Это означает, что твердый алмаз должен плавать на поверхности жидкого металлического углерода подобно тому, как лед плавает в воде. Главная проблема заключалась в том, что экспериментально измеренная температура плавления примерно на 20% отличалась от показателей, предсказанных компьютерными моделями. Даже самые современные расчеты, основанные на квантовой механике, не могли воспроизвести лабораторный результат. Разница превышала тысячу градусов. Существовала и другая загадка.

Ранее эксперименты в Национальных лабораториях Сандиа указывали на то, что перед плавлением алмаз может переходить в промежуточную кристаллическую фазу. Компьютерные модели допускали такую возможность, но непосредственно рассмотреть расположение атомов в сжатом материале тогда не удалось. Чтобы получить более точные данные, ученые провели серию экспериментов на лазерной установке Omega в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета. Мощный лазер испарял внешний слой мишени, создавая ударную волну, которая сжимала находившийся внутри образец алмаза.

Экстремальные условия сохранялись лишь около одной миллиардной доли секунды. За этот короткий промежуток исследователям необходимо было одновременно определить температуру, плотность, оптическую отражательную способность и атомную структуру вещества. Для наблюдения за атомами применили рентгеновскую дифракцию. Проведение таких измерений оказалось особенно сложным: атомы углерода имеют небольшую массу и слабо рассеивают рентгеновское излучение. Тем не менее усовершенствованное диагностическое оборудование позволило впервые проследить структуру алмаза, сжатого ударной волной, вплоть до момента его плавления. Новая температура плавления практически полностью совпала с теоретическими расчетами.

Таким образом, ученым удалось устранить расхождение, существовавшее около двух десятилетий, и подтвердить, что твердый алмаз действительно менее плотный, чем жидкий углерод при таких давлениях. Одновременно эксперимент дал ответ на вопрос о возможной промежуточной фазе. Оказалось, что при воздействии одной мощной ударной волны углерод сохраняет структуру алмаза до самого момента плавления. Другого кристаллического состояния исследователи не обнаружили. По мнению авторов работы, образец просто не успевает перестроиться за чрезвычайно короткое время эксперимента и остается «запертым» в первоначальной структуре.

Это показывает, что поведение материалов определяется не только достигнутыми давлением и температурой, но также скоростью и способом воздействия ударных волн. Открытие может иметь практическое значение для инерциального термоядерного синтеза. В таких экспериментах мощные лазеры сжимают крошечную алмазную капсулу, внутри которой находится термоядерное топливо. Чтобы сжатие проходило равномерно, оболочка должна полностью расплавиться и превратиться в однородную жидкость. Малейшие неровности способны нарушить имплозию и снизить выход энергии. До сих пор ученые применяли сравнительно сильный первый удар, чтобы гарантированно расплавить капсулу. Новые данные показывают, что для этого может быть достаточно более медленной начальной ударной волны.

В таком случае топливо останется более сжимаемым, что позволит увеличить энергетическую отдачу при той же мощности лазеров. Расчеты предполагают, что при контроле других факторов прирост энергии потенциально можно повысить примерно втрое. Результаты также помогут уточнить модели внутреннего строения Урана и Нептуна. Ученые считают, что углерод в недрах ледяных гигантов способен превращаться в алмазы, которые затем погружаются глубже, выделяя энергию и влияя на эволюцию планет. Поскольку эксперимент проводился даже при более высоких давлениях, новые измерения создают надежную основу для проверки гипотезы об алмазных дождях. Теперь исследователи намерены изучить, как долго структура алмаза сохраняется под воздействием нескольких последовательных ударных волн, а также проверить поведение алмазных капсул на более поздних стадиях термоядерных экспериментов.

• Учёные превратили спутники Starlink в гигантский сканер верхних слоёв атмосферы
• Новый катализатор позволит сократить расход платины в водородных топливных элементах на 75%
• Управляемые микротрещины помогли создать сверхмалые пиксели из квантовых точек
• Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов
• Квантовый сенсор поможет искать темную материю
• Смартфоны родителей могут тревожить подростков
• Смартфон сможет измерять пульс при разблокировке: новая технология открывает путь к массовому мониторингу здоровья
• Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости