Ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) выяснили, как алмаз плавится при давлениях, в 3 раза превышающих показатели в центре Земли. Исследование помогло устранить расхождения между прежними лабораторными опытами и расчетами на основе квантовой механики. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Специалисты сжали небольшие образцы алмаза ударной волной, созданной лазерами на установке Omega в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. Температура при этом превысила температуру поверхности Солнца, а давление оказалось выше, чем в центрах Нептуна и Урана. В ходе опыта исследователи смогли зафиксировать атомную структуру, плотность, температуру и отражательную способность материала.
Новые измерения показали, что температура плавления алмаза почти полностью совпадает с компьютерными расчетами. Ранее разница между экспериментальными и теоретическими данными достигала примерно 20%, а погрешность старых измерений превышала 1 000 градусов. Рентгеновская дифракция также напрямую подтвердила, что при плавлении алмаз становится плотнее, поэтому при высоком давлении он способен плавать в жидком углероде.
При этом ученые не обнаружили перехода алмаза в другую кристаллическую форму перед превращением в жидкость. В условиях одиночной ударной волны материал сохранял алмазную структуру до самого плавления. Исследователи считают, что кратковременное воздействие не дает углероду времени для перестройки кристаллической решетки.
Полученные данные могут быть полезны для экспериментов по инерционному термоядерному синтезу, где алмазные капсулы сжимают топливо с помощью лазеров. Уточненные сведения позволяют предположить, что начальную ударную волну можно сделать менее мощной, сохранив полное плавление оболочки. Модели указывают, что такой подход при контроле других потерь способен увеличить энергетический выигрыш до 3 раз.
Результаты также помогут уточнить модели внутреннего строения Нептуна и Урана. Согласно ряду исследований, в глубинах этих планет углерод может кристаллизоваться в алмазы и опускаться вниз в виде так называемого алмазного дождя. Новые данные о плавлении алмаза при экстремальном давлении дадут ученым более надежную основу для изучения формирования и эволюции ледяных гигантов.
