Двадцать лет назад ученые из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) обнаружили, что при высоком давлении плотность расплавленного алмаза выше, чем твердого. Поведение необычное, но не уникальное. Однако дальнейший эксперимент озадачил научное сообщество еще больше: зафиксированная температура плавления примерно на 20% отличалась от теоретически предсказанной. Воспроизвести этот эксперимент не получалось, несмотря на самые мощные суперкомпьютеры. Параллельно эксперименты Сандийской национальной лаборатории показали, что алмаз перед плавлением может переходить в другую кристаллическую фазу, но никто не мог измерить его атомную структуру напрямую, пишет Phys.

Команда LLNL провела динамические эксперименты по сжатию на лазерной установке Omega в Рочестерском университете. Микроскопический образец алмаза испаряли снаружи мощным лазером, создавая ударную волну, которая сжимала его изнутри до экстремальных давлений и температур. Состояние длилось всего миллиардную долю секунды. За это время ученым нужно было одновременно измерить температуру, плотность, оптическое отражение и, главное, дифракцию рентгеновских лучей — чтобы увидеть атомную структуру. Сделать это крайне сложно, потому что углерод — легкий атом и слабо рассеивает рентген, давая очень слабый сигнал.

Новые измерения температуры плавления почти идеально совпали с квантово-механическими предсказаниями. «Оказалось, что наши исходные температурные измерения были завышены более чем на 1000 градусов», — сказал Джон Эггерт, автор первых экспериментов. Но это не главная неожиданность. В отличие от экспериментов Сандийской лаборатории, в лазерных экспериментах алмаз не проходил через промежуточные фазы — он оставался в структуре алмаза вплоть до самого плавления. Исследователи полагают, что это связано с временем воздействия: при одном мощном ударе материал просто не успевает перестроиться и остается «запертым» в исходной структуре.

В инерциальном синтезе топливная капсула сжимается мощными лазерами, и ее оболочка (часто из алмаза) испытывает именно такие ударные нагрузки. Понимание того, как алмаз плавится и сжимается, позволяет точнее моделировать сжатие капсулы. По оценкам исследователей, новые данные позволят повысить энерговыделение реакции управляемого синтеза до трех раз.

Кроме того, понимание фазовых переходов углерода при высоких давлениях и температурах критически важно для построения точных моделей внутреннего строения газовых гигантов.

Самые прочные алмазы — так называемые лонсдейлиты — в природных условиях встречаются крайне редко, только в местах падения метеоритов. Благодаря гексагональной, а не кубической кристаллической решетке они отличаются повышенной твердостью. Команда ученых из КНР нашла способ синтезировать лонсдейлиты в лабораторных условиях из графита.