Учёные расплавили алмаз лазером и обнаружили ошибку в 700 °C в прежних измерениях

Новые эксперименты объяснили давнее расхождение между теорией и данными и помогли понять внутреннее строение Урана и Нептуна.

Странно думать о том, что алмаз — самый твёрдый природный материал на Земле — может плавиться, но он действительно плавится, когда его облучают чрезвычайно мощными лазерами при определённых условиях. Понимание того, как алмаз реагирует на ударные волны от лазеров, — важная часть разработки термоядерного синтеза, процесса, который питает звёзды. Термоядерный синтез также является потенциальным источником энергии будущего, поэтому исследователи приложили немало усилий для создания моделей, описывающих и предсказывающих поведение алмаза.

Однако алмаз ведёт себя странно. Хотя экспериментальные данные и теоретические модели в большинстве случаев довольно хорошо совпадают, существуют некоторые странные расхождения, которые учёные не могли объяснить. Самое большое — разница в 2240 °F (1244 °C), примерно 20%, между прежними экспериментальными данными и предсказанными моделями температурами плавления алмаза. Также ведутся споры о том, перестраивает ли алмаз свои атомы в другой вид твёрдого углерода, прежде чем превратиться в жидкость в конце процесса плавления.

Исследователи struggled объяснить эти расхождения, потому что условия, при которых плавится алмаз, настолько экстремальны, что измерить их в лабораториях на Земле чрезвычайно сложно. Однако новые эксперименты могут наконец предложить решение, которое учёные искали два десятилетия.

В исследовании, опубликованном 13 августа в журнале Nature Physics, учёные облучили крошечные пластинки синтетического алмаза ультрафиолетовым лазером, создав ударные волны настолько мощные, что, проходя через образцы, алмаз менялся с прозрачного на зеркальный. Сильное увеличение отражательной способности — один из признаков того, что алмаз расплавился. Объединив это изменение с измерениями того, насколько ярко алмазы светились при облучении, исследователи с большой точностью определили температуру плавления.

«Мы смогли взять крошечные образцы алмаза и ударно сжать их до температур горячее поверхности Солнца и давлений выше, чем в центре Нептуна и Урана, — и всё же измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность», — сказал в заявлении соавтор исследования Мариус Милло, научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии.

Команда обнаружила, что температура плавления образца алмаза более чем на 1300 °F ниже, чем считалось ранее, — что приводит температуру плавления в соответствие с теоретическими предсказаниями и наконец объясняет давнее расхождение.

Команда также измерила атомную структуру образцов с помощью рентгеновской дифракции и увидела, что алмаз не переходил в другой вид твёрдого углерода перед плавлением, возможно, потому что энергия, необходимая для перестройки атомов, была слишком велика, пишут исследователи.

Однако они также выдвинули гипотезу, что множественные ударные волны могут быть достаточно мощными для такого перехода, и что способ приложения ударных волн к алмазу может влиять на то, как он меняет фазу. Понимание этого важно для исследований термоядерного синтеза, поскольку некоторые типы экспериментов включают лазерное плавление и сжатие алмазной капсулы, чтобы поместить её содержимое — твёрдый дейтерий и тритий — под давление более 30 петапаскалей и температуры выше 180 миллионов °F (100 миллионов °C), необходимые условия для возникновения термоядерной цепной реакции.

Исследователи обнаружили, что при давлении примерно от 660 до 1060 гигапаскалей и температуре около 12 140 °F (6727 °C) алмаз существует в виде твёрдых кусков, плавающих в жидком углероде. По мере увеличения давления больше алмаза переходит в жидкий углерод, который считается очень странным материалом. В отличие от большинства форм углерода на Земле — таких как уголь, графит и алмаз, — жидкий углерод является металлическим, то есть проводит электричество. Он также плотнее алмаза. Так что гипотетически, если бы вы каким-то образом поместили жидкий углерод в чашку, не испарив его мгновенно, кусок твёрдого алмаза мог бы спокойно плавать в нём, как кубик льда в стакане воды.

Знание того, как алмаз ведёт себя в таких экстремальных условиях, также важно для понимания ледяных гигантов Урана и Нептуна. Основываясь на измерениях космического аппарата «Вояджер-2» в конце 1980-х годов и лабораторных экспериментах на Земле, учёные считают, что внутри этих планет буквально идёт дождь из огромных кусков алмаза, а их мантии могут содержать океаны жидкого углерода с плавающими в них алмазами, как айсбергами. Новое исследование означает, что учёные могут делать более точные прогнозы о внутреннем строении этих планет и их углеродных циклах.

Почему это важно

Это исследование решает сразу несколько задач. Во-первых, оно устраняет давнее противоречие между теорией и экспериментом в физике экстремальных состояний вещества. Во-вторых, оно даёт более точные данные для моделирования термоядерного синтеза — одной из ключевых технологий будущего. В-третьих, оно улучшает наше понимание того, как углерод ведёт себя внутри планет-гигантов, что помогает строить более точные модели их внутреннего строения и эволюции.

Алмазный дождь на Уране и Нептуне, металлические океаны жидкого углерода и плавающие в них алмазные айсберги — это не просто красивые образы. Это физика, которую теперь можно проверять экспериментально, а значит, и предсказывать точнее.

Источники и дополнительная литература: Millot, M., Coppari, F., Lazicki, A., Kim, Y., Landen, O. L., Smalyuk, V. A., Celliers, P. M., & Eggert, J. H. (2026). Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-026-03413-1; Live Science; Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (LLNL); данные миссии «Вояджер-2».