Физики экспериментально подтвердили температуру плавления алмаза: новые данные объяснят устройство магнитных полей Урана и Нептуна

Алмаз известен как один из самых твердых материалов на Земле. Однако если поместить его в условия экстремального давления и высокой температуры, его кристаллическая структура разрушается, и материал переходит в жидкое состояние.

На протяжении последних двадцати лет процесс плавления алмаза оставался причиной серьезного научного спора. Расчеты, выполненные на основе законов квантовой механики, показывали одну температуру плавления. Эксперименты, проводимые на самых мощных в мире лазерных установках, демонстрировали совершенно другой результат. Разница между теорией и практикой достигала тысячи градусов Цельсия.

Из-за этого расхождения ученые не могли создать точные модели физических процессов, происходящих внутри планет-гигантов, а также подобрать правильные режимы для запуска управляемой термоядерной реакции.

Исследовательская группа из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в США смогла решить эту проблему. В работе, опубликованной в научном журнале Nature Physics, физики объяснили причину давней ошибки, подтвердили правильность теоретических расчетов и показали, как новые данные помогут втрое увеличить эффективность термоядерных реакторов.

В чем заключалась проблема и почему прошлые эксперименты ошибались

Чтобы расплавить алмаз в лабораторных условиях, обычного нагрева недостаточно. Требуется давление, превышающее атмосферное давление Земли в миллионы раз. Единственный способ создать такие условия — использовать сверхмощные лазеры.

В ходе эксперимента, короткий и невероятно мощный лазерный импульс направляют на крошечный образец из синтетического алмаза. Лазер мгновенно испаряет внешний слой образца. В результате этого испарения возникает мощный импульс отдачи, который посылает внутрь алмаза ударную волну.

Проходя через материал, волна сжатия мгновенно сжимает его и разогревает. Давление внутри образца превышает давление в центре Земли в три раза, а температура поднимается выше температуры поверхности Солнца.

Главная сложность заключается во времени. Все состояние экстремального сжатия и плавления длится меньше одной миллиардной доли секунды. За этот ничтожно малый промежуток времени ученые должны успеть измерить температуру материала, его плотность и определить, изменилось ли расположение атомов в кристаллической решетке.

Для определения структуры материала используют рентгеновское излучение. Рентгеновский луч пропускают через сжимаемый образец, и по тому, как лучи рассеиваются, судят о расположении атомов.

Однако атомы углерода, из которых состоит алмаз, имеют малое количество электронов. Из-за этого они рассеивают рентгеновские лучи очень слабо. Сигнал получается тихим, а фоновые помехи от работы оборудования — сильными.

В прошлых экспериментах именно из-за слабых сигналов и высоких помех приборы фиксировали искаженные данные. Измерительные системы ошибочно показывали, что плавление происходит при гораздо более низкой температуре, чем предсказывала теория.

Физики из Ливерморской лаборатории совместно с коллегами из Рочестерского университета модернизировали измерительное оборудование на лазерной установке Omega. Они создали более чувствительные детекторы рентгеновского излучения и снизили уровень помех.

Новые замеры показали: теоретические расчеты квантовой механики изначально были правильными. Прошлые эксперименты ошибались из-за несовершенства термометров и детекторов. Алмаз плавится именно при той температуре, которую предсказывали физики-теоретики.

Что происходит с атомами углерода во время сильного удара

В ходе исследования ученые параллельно разрешили еще одну научную загадку, касающуюся внутреннего устройства углерода.

Несколько лет назад во время опытов на другой крупной установке — Z-машине в Сандийских национальных лабораториях — исследователи получили неоднозначные сигналы. Из этих данных следовало, что перед тем как расплавиться и стать жидкостью, алмаз меняет свою форму. Он якобы перестраивается из обычной формы алмаза в другую, промежуточную кристаллическую структуру, и только потом превращается в жидкость.

Новые эксперименты с использованием точной рентгеновской диагностики опровергли эту гипотезу.

Данные показал, что углерод сохраняет исходную кристаллическую решетку алмаза до самого момента плавления. Никаких промежуточных кристаллических форм между твердым алмазом и жидким углеродом не возникает.

Почему же предыдущие опыты показывали другой результат? Дело в том, как именно наносился удар.

В опытах на лазерной установке Omega ученые использовали одну одиночную, но очень быструю ударную волну. Сжатие происходило настолько стремительно, что у атомов углерода просто не было времени на то, чтобы перестроиться в новую кристаллическую решетку. Они оставались в изначальных позициях до тех пор, пока температура не возрастала настолько, что связи между атомами полностью рушились, превращая твердое вещество в жидкость.

Это открытие доказало важный физический факт: поведение материала при экстремальных нагрузках зависит не только от того, до какого давления и температуры его сжали. Оно напрямую зависит от скорости сжатия и от количества ударных волн.

Как новые данные помогут улучшить термоядерную энергетику

Результаты этого исследования имеют прямую практическую пользу для разработки управляемого термоядерного синтеза. Это технология получения энергии, аналогичная процессам, происходящим внутри звезд.

В США главные эксперименты по термоядерному синтезу проводятся на установке NIF (National Ignition Facility). Метод, который там используют, называется инерциальным термоядерным синтезом.

Работает это так:

1. Берется мишень — крошечная шарообразная капсула диаметром в пару миллиметров.
2. Оболочка этой капсулы изготавливается из высокочистого синтетического алмаза.
3. Внутри капсулы находится термоядерное топливо — смесь тяжелых изотопов водорода (дейтерия и трития).
4. Десятки мощных лазеров одновременно направляются в капсулу со всех сторон.

Цель лазерного удара — заставить капсулу мгновенно сжаться к центру. При этом сжатии топливо внутри капсулы разогревается и прессуется до такой степени, что ядра водорода начинают сливаться друг с другом. В результате этого слияния выделяется колоссальное количество энергии.

Однако здесь есть ключевая проблема: сжатие капсулы должно происходить абсолютно идеально и равномерно со всех сторон. Если оболочка капсулы сжимается неравномерно, реакция срывается, и топливо остывает.

Чтобы сжатие было ровным, алмазная оболочка капсулы под действием самой первой ударной волны от лазера должна мгновенно и полностью расплавиться, превратившись в идеально гладкую жидкость. Если в процессе сжатия в оболочке останутся хотя бы микроскопические твердые куски алмаза, они создадут возмущения. Жидкая оболочка перемешается с водородным топливом, и реакция прекратится.

Раньше, из-за старой ошибки в измерениях, физики считали, что для полного плавления алмазной капсулы требуется очень высокая температура. По этой причине первый лазерный импульс делали максимально мощным и жестким.

Новые данные доказали, что алмаз плавится при меньших энергетических затратах. Это значит, что самый первый лазерный импульс можно сделать более слабым и плавным.

В чем заключается выгода от слабого первого импульса?

Здесь работают базовые законы физики газов. Когда по капсуле бьют слишком сильной первой ударной волной, она не только начинает сжимать водородное топливо, но и сильно нагревает его в самом начале процесса. А горячий газ сжимать намного труднее, чем холодный. Горячий газ расширяется и оказывает сильное сопротивление внешнему давлению.

Если же первый лазерный импульс сделать слабее, алмазная оболочка все равно успешно расплавится, но водородное топливо внутри останется более холодным. Холодное топливо поддается сжатию значительно проще. В результате последующие лазерные импульсы смогут сжать это топливо до намного большей плотности.

Чем выше плотность сжатого топлива, тем больше ядер водорода вступают в реакцию и тем больше энергии выделяется при реакции.

Согласно расчетам физиков из Ливерморской лаборатории, коррекция формы и мощности первого лазерного импульса на основе новых данных о плавлении алмаза позволит увеличить выход энергии термоядерной реакции в три раза при тех же затратах электричества на работу лазеров.

Тайны внутреннего строения Урана и Нептуна

Второе направление, где необходимы точные данные о плавлении углерода — это астрофизика и изучение планет.

Уран и Нептун относятся к классу ледяных гигантов. У них нет твердой поверхности, как у Земли или Марса. Они состоят из плотной и глубокой атмосферы, которая плавно переходит в гигантский жидкий слой, окружающий небольшое каменное ядро.

Атмосфера этих планет содержит огромное количество метана. Метан — это простое химическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода.

На глубине в несколько тысяч километров под верхними облаками давление и температура возрастают до экстремальных значений. Под действием этих сил молекулы метана распадаются. Освобожденный водород поднимается выше, а углерод под воздействием давления преобразуется в твердые кристаллы алмаза.

Эти кристаллы под собственным весом начинают погружаться глубже, в более горячие слои планеты. Этот процесс в научной литературе называют алмазными дождями.

Попадая в еще более глубокие слои, где температура превышает точку плавления, погружающиеся алмазы превращаются в жидкий углерод.

У углерода есть интересная физическая особенность: при тех давлениях, которые существуют внутри Урана и Нептуна, жидкий углерод имеет более высокую плотность, чем твердый алмаз. Это означает, что твердые алмазы не могут утонуть в жидком углероде — они остаются на его поверхности.

Так, в недрах ледяных гигантов существуют целые слои из расплавленного углерода, в которых плавают твердые алмазные образования.

Раньше из-за отсутствия точных экспериментальных данных ученые не могли правильно рассчитать:

• На какой именно глубине внутри Урана и Нептуна алмазы начинают таять.
• Какова толщина слоя жидкого углерода.
• Как этот слой проводит тепло и электричество.

Знать эти параметры необходимо для решения одной из главных загадок Урана и Нептуна — структуры их магнитных полей.

У Земли магнитное поле имеет простую и симметричную форму с двумя полюсами, северным и южным. Это поле создается за счет движения жидкого железа в земном ядре.

У Урана и Нептуна магнитные поля устроены сложным образом. Они несимметричны, имеют по несколько полюсов и смещены относительно центра планет. Астрофизики давно предполагали, что эти странные поля генерируются не в самом центре планет, а в их внешних жидких слоях, состоящих из воды, аммиака и расплавленного углерода.

Эксперимент на лазерной установке Omega воссоздал условия, которые даже превышают давление в центрах Урана и Нептуна. Теперь ученые получили точные физические показатели жидкого углерода. Эти данные будут заложены в компьютерные модели планет, что позволит точнее описать их внутреннее строение, историю формирования и механизмы работы их магнитных полей.

Что эти результаты дают науке в будущем

Исследование Ливерморской национальной лаборатории показывает, насколько важна точность измерительных инструментов в современной физике. Теоретические модели, созданные на основе фундаментальных законов квантовой механики, изначально содержали верный ответ. Однако отсутствие точности в термометрах и детекторах на протяжении двадцати лет вводило исследователей в заблуждение и заставляло сомневаться в теории.

Исправление этой ошибки дает ученым сразу два практических результата:

1. В энергетике: появляется четкий физический сценарий, как повысить КПД термоядерных реакторов типа NIF. Изменение настройки начального лазерного импульса позволит сжимать топливо эффективнее и получать в три раза больше энергии без постройки новых лазерных установок.
2. В планетологии: появляется возможность создать достоверные модели недрах планет-гигантов. Это важно не только для изучения нашей Солнечной системы, но и для анализа экзопланет — планет у других звезд, многие из которых относятся именно к классу ледяных гигантов.

В ближайшее время команда исследователей планирует провести новую серию экспериментов на установке NIF. Физики хотят проверить, как ведет себя алмазная кристаллическая решетка не при одном ударе, а при последовательной серии из нескольких ударных волн. Это необходимо для того, чтобы научиться предельно точно управлять состоянием вещества в первые наносекунды термоядерной реакции.

Источник: Nature Physics