Американские физики изучили плавление алмаза при давлении в 1 ТПа

Американские физики сжали алмаз до давления около одного терапаскаля — почти десяти миллионов атмосфер. Экстремальный эксперимент показал, что кристаллическая структура алмаза сохраняется вплоть до его плавления. Наблюдение помогло разрешить противоречие, которое около двух десятилетий сохранялось между теоретическими расчетами и результатами предыдущих опытов.

Исследование провели специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Для эксперимента ученые использовали небольшие образцы микрокристаллического алмаза, которые подвергли ударному сжатию продолжительностью несколько наносекунд. Давление внутри материала приблизилось к одному терапаскалю — это примерно втрое больше давления в центре Земли и выше предполагаемых значений в глубинах Урана и Нептуна.

Поведение вещества отслеживали сразу несколькими способами. Оптические приборы позволяли измерять скорость ударной волны, пирометры фиксировали температуру, а рентгеновская дифракция показывала изменения кристаллической решетки. О приближении плавления свидетельствовали рост отражательной способности, изменение температуры и постепенное ослабление дифракционного сигнала.

Оказалось, что привычная алмазная структура углерода сохранялась почти до момента превращения вещества в жидкость. Плавление происходило при температуре около 7300 кельвинов. При этом с ростом давления температура плавления немного снижалась — необычный эффект, который ранее вызывал споры среди специалистов.

Результат расходится с предположением о том, что при давлении около одного терапаскаля алмаз должен сначала перейти в другую кристаллическую форму, известную как BC8. Теоретические расчеты указывали, что такая структура может быть устойчивее обычного алмаза в экстремальных условиях. Однако во время кратковременного ударного сжатия ученые не обнаружили убедительных признаков подобного превращения: образец оставался алмазом до начала плавления.

Авторы допускают, что переход в BC8 действительно возможен, но для перестройки атомов может потребоваться больше времени, чем длится наносекундный эксперимент. Таким образом, теоретическая устойчивость определенной структуры еще не означает, что вещество успеет перейти в нее при быстром сжатии.

Полученные данные важны для моделирования недр ледяных гигантов. Считается, что в богатых углеродом слоях Урана и Нептуна при высоких давлениях могут формироваться алмазы, которые затем опускаются глубже — этот процесс часто называют «алмазным дождем». Более точная фазовая диаграмма углерода поможет лучше описывать строение и эволюцию таких планет.

Практическое значение работа может иметь и для управляемого термоядерного синтеза. Алмаз используется при изготовлении оболочек мишеней в установках инерциального удержания плазмы. От поведения материала во время мощного лазерного импульса зависит равномерность сжатия топлива. Уточненные данные о плавлении и фазовых переходах углерода позволят повысить точность расчетов и потенциально увеличить энергетическую отдачу экспериментов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Читайте также: Вес синтетического алмаза теперь можно будет указывать только в граммах, а не в каратах