Тиск у сотні мільйонів атмосфер робить з алмазу рідину. Як саме це відбувається, лабораторні виміри й комп’ютерні розрахунки описували по-різному майже двадцять років. Тепер фізики стиснули крихітну алмазну пластинку потужним лазером і простежили, як атоми перебудовуються у момент плавлення. Отримані дані стосуються водночас надр крижаних гігантів і термоядерного синтезу.
Мільярдна частка секунди
Досліди провели фізики Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса на установці Omega в Лабораторії лазерної енергетики Рочестерського університету. Промінь випарував зовнішній шар зразка, і крізь його товщу пройшла ударна хвиля. Тиск усередині втричі перевищив той, що панує в земному ядрі, а температура, за словами одного з авторів роботи Маріуса Мійо, була вищою за температуру сонячної поверхні.
Такий стан існував лише мільярдну частку секунди. За цей час треба було встигнути зафіксувати всі показники, зокрема рентгенівську дифракцію, яка показує розташування атомів. Вуглець складається з легких атомів і розсіює таке випромінювання слабко, тому сигнал виявився ледь помітним.
Розбіжність на тисячу градусів
Перші лабораторні досліди з плавлення алмазу поставили близько двадцяти років тому. Отримана тоді температура розходилася з комп’ютерними моделями приблизно на п’яту частину. У перерахунку на градуси це понад тисячу кельвінів. Жодні вдосконалення симуляцій не допомагали закрити розрив.
Нові дані збіглися з розрахунками на основі квантової механіки майже точно. Причина старої суперечності була в самих вимірюваннях, а не в теорії. Робота опублікована в рецензованому журналі Nature Physics, як пише Universe Today.
Ще один результат стосується структури речовини. Раніше дані з експериментів у Sandia National Laboratories вказували на те, що перед переходом у рідкий стан вуглець може набувати кристалічної ґратки іншого типу. Цього разу нічого подібного не побачили, вуглець зберігав алмазну структуру аж до розплавлення. Автори пояснюють це тим, що за одиничного удару речовина просто не встигає перебудуватися.
Як лід у склянці води
Тверда фаза вуглецю за таких умов виявляється менш щільною за рідку. Алмаз плаває на розплавленому металічному вуглеці приблизно так само, як лід у склянці води. Ефект помітили ще у дослідах двадцятирічної давнини, але тоді для нього бракувало точних значень.
У надрах Нептуна та Урана вуглець, за деякими припущеннями, кристалізується на глибині й опускається до ядра у вигляді алмазного дощу. Умови в експерименті перевищували тиск усередині цих планет, тому нові значення температури плавлення дають опору для точніших розрахунків будови й еволюції крижаних гігантів.
Обидві планети залишаються найменш вивченими великими світами Сонячної системи. Єдиним апаратом, який пролітав повз них, був Voyager 2 наприкінці 1980-х років. Нових місій туди досі немає, тому лабораторний дослід лишається чи не єдиним способом зазирнути в їхні надра.
Користь для термоядерного синтезу
У термоядерних установках паливо вміщують у крихітну алмазну капсулу і стискають її лазерними імпульсами. Щоб оболонка деформувалася рівномірно, її треба повністю розплавити першим ударом.
Нові дані показують, що для цього достатньо слабшого імпульсу, ніж застосовують зараз. За розрахунками авторів, це здатне втричі підняти вихід енергії за тієї самої потужності установки.
