Алмаз плавится не там, где предсказывали двадцать лет расчётов

Алмаз считается самым твёрдым природным веществом, и при обычном давлении это правда. В недрах ледяных гигантов вроде Нептуна и внутри мишеней термоядерных экспериментов давление превышает миллион земных атмосфер, и там даже алмаз рано или поздно плавится. Физики двадцать лет пытались поймать этот момент. И раз за разом получали цифру, которая расходилась с теорией на тысячу с лишним градусов.

Расхождение, которое не закрывалось двадцать лет

Первые эксперименты по плавлению алмаза под экстремальным давлением поставил физик Джон Эггерт из Ливерморской национальной лаборатории. С тех пор квантовые расчёты температуры плавления с измерениями не сходились, как теоретики ни улучшали модели. Расхождение держалось около двадцати процентов. Для температуры плавления твёрдого тела это огромный зазор, и никто не мог сказать, кто ошибается, теория или измерение.

Команда из той же лаборатории вернулась к задаче с новым инструментом. На лазерной установке Omega крошечные образцы алмаза сжимали ударной волной и одновременно снимали три вида данных: скорость ударного фронта, температуру по свечению образца и рентгеновскую дифракцию. Дифракция даёт узор, по которому видно, цела ли ещё кристаллическая решётка. Прямо в момент плавления снять её раньше не удавалось, это позволили новые, более чувствительные детекторы.

Ошиблись старые измерения

Новые данные почти точно легли на расчёты. Чинить пришлось старые цифры: ошибались исходные измерения температуры, причём на ту самую тысячу с лишним градусов, которую двадцать лет не удавалось объяснить. Эггерт ошибку признал открыто: найти в собственных старых данных разрыв больше чем в тысячу градусов неприятно. Сам факт плавления, который раньше видели по косвенным признакам, теперь подтверждён напрямую, рентгеновской дифракцией.

Рентген заодно закрыл спор о решётке перед самым плавлением. Более ранняя работа сообщала, что алмаз успевает перейти в другую кристаллическую форму, и теория тоже предсказывала эту форму стабильной при таких давлениях. На новых снимках перехода нет: решётка остаётся алмазной до самого плавления.

Твёрдый алмаз плавает в собственном расплаве

При огромном давлении жидкий углерод оказался плотнее твёрдого алмаза. Такая аномалия встречается редко, самый известный пример — вода: лёд легче жидкой воды и потому плавает. Кусок твёрдого алмаза в таких условиях тоже всплыл бы в собственном расплаве.

Проверено это пока в одной точке кривой давления и температуры. Таков предел методики: образцы толщиной в доли миллиметра, сжатие короче миллиардной доли секунды. Перенести число буквально на недра планеты нельзя. Но механизм плавления теперь известен достаточно точно, чтобы модели недр ледяных гигантов опирались на измерение, а не на экстраполяцию старых расчётов.

Точная кривая плавления углерода нужна и ближе к Земле, для расчёта термоядерных мишеней, где алмазную оболочку сжимают лазерами до похожих давлений. Авторы оценивают и возможный выигрыш в энергии. Это уже их прогноз, и с ним стоит подождать независимой проверки.