Эксперименты в США выявили поведение алмаза при плавлении под высоким давлением, что может способствовать исследованиям в области инерциального термоядерного синтеза

Исследователи Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса опубликовали новое исследование в журнале Nature Physics, зафиксировав процесс плавления алмаза при давлении, примерно в три раза превышающем условия в ядре Земли. Эксперименты показали, что в условиях высокого давления алмаз плавает в жидком металлическом углероде, подобно тому, как лёд плавает в воде. Это открытие способствует улучшению моделей экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу, а также предоставляет новую основу для понимания явления «алмазного дождя», которое, возможно, существует внутри ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран.

Новейшие эксперименты по плавлению подтвердили, что при высоком давлении алмаз плавает в жидком металлическом углероде, как кубик льда в стакане воды. (Концептуальное изображение: James Wickboldt/LLNL)

Исследовательская группа сообщила, что они подвергли микроскопические образцы алмаза ударному сжатию, доведя их до температур выше температуры поверхности Солнца и давлений выше, чем в центрах Нептуна и Урана, одновременно измеряя атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность. Долгое время наблюдаемые в экспериментах температуры плавления алмаза расходились с результатами моделирования на основе квантовой механики примерно на 20%; в ходе данных экспериментов эти показатели практически совпали, что позволило устранить расхождение в данных, сохранявшееся около 20 лет.

Эксперименты были проведены на лазерной установке «Омега» в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета. Учёные использовали лазер для испарения внешнего слоя микроскопических образцов, создавая мощную ударную волну, проходящую через внутреннюю часть алмаза. Поскольку состояние высокого давления длится лишь порядка одной миллиардной доли секунды, исследователям пришлось в кратчайшие сроки выполнить ключевые диагностические измерения, включая получение данных рентгеновской дифракции, раскрывающих атомную структуру.

Исследователи отметили, что это первый случай использования рентгеновской дифракции для отслеживания процесса ударного сжатия алмаза вплоть до плавления. Из-за малого размера и лёгкости атомов углерода рассеиваемый ими рентгеновский сигнал крайне слаб, что делает измерения весьма сложными. Усовершенствованные диагностические инструменты помогли команде заново определить температуру плавления и напрямую подтвердить ранее предполагаемое явление плавления.

Исследование также показало, что в условиях однократного ударного сжатия углерод сохраняет алмазную структуру вплоть до плавления, не проходя через другие промежуточные кристаллические фазы. Команда полагает, что это может быть связано с тем, что образец не имел достаточно времени для структурных превращений в процессе одного ударного воздействия и оставался «запертым» в алмазной структуре. Этот результат указывает на то, что реакция материала в экстремальных условиях зависит не только от давления и температуры, но и тесно связана со способом ударного нагружения.

Это открытие имеет непосредственное справочное значение для исследований в области инерциального термоядерного синтеза. В соответствующих экспериментах мощные лазеры генерируют ударные волны, вызывая имплозию микроскопических алмазных капсул внутрь и сжимая находящееся в них термоядерное топливо до состояния высоких температур и давлений, необходимых для осуществления синтеза. Исследователи отмечают, что если первый удар сможет полностью расплавить алмазную мишень в более однородную и гладкую жидкость, это может уменьшить дефекты имплозии и повысить стабильность экспериментов.

Согласно полученным результатам, даже при несколько меньшей начальной скорости ударной волны эксперименты по имплозии на Национальной установке зажигания (NIF) всё ещё могут обеспечить полное плавление алмаза. Более медленный удар способствует повышению сжимаемости термоядерного топлива, что позволяет увеличить максимальный энерговыход при той же энергии лазера. Исследование прогнозирует, что при контроле других влияющих факторов такой более медленный удар может привести к дальнейшему повышению энергетического усиления.

Помимо исследований термоядерного синтеза, эти результаты также могут быть полезны для планетологии. Внутреннее строение ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, трудно поддаётся прямому зондированию, поэтому учёные обычно полагаются на лабораторные эксперименты в экстремальных условиях и моделирование. Некоторые исследования предполагают, что в глубинах ледяных гигантов может происходить кристаллизация углерода с образованием «алмазного дождя», опускающегося к центру. Полученные данные о плавлении алмаза при высоком давлении обеспечат более надёжную экспериментальную основу для соответствующих моделей формирования и эволюции планет.

Исследовательская группа планирует продолжить использование Национальной установки зажигания для изучения поведения алмаза в ещё более экстремальных условиях, уделяя особое внимание реакции алмазных капсул на последующих этапах имплозии, а также пределам стабильности алмазной структуры под воздействием множественных ударных волн.