Алмаз плавиться за 7 300 К: дослідження LLNL закриває 20-річну суперечку та вказує шлях до потроєння виходу термоядерної енергії

Дослідники з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) вперше з експериментальною точністю виміряли, як алмаз плавиться під надзвичайним тиском, розв'язавши суперечку, що два десятиліття розділяла теоретиків та експериментаторів. Результати дослідження, опублікованого 13 серпня 2026 року в журналі Nature Physics командою під керівництвом Маріуса Мійо, базуються на використанні лазерних ударних хвиль для досягнення тиску, втричі більшого за тиск у центрі Землі, та температур, вищих за температуру поверхні Сонця . Ці результати мають безпосереднє значення для інерційного термоядерного синтезу в Національному комплексі запалювання (NIF) та для розуміння надр планет, зокрема гіпотетичних «алмазних дощів» на крижаних гігантах, як-от Нептун та Уран.

Чотири ключові відкриття

1. Нова температура плавлення ~7 300 К закриває 20-річну розбіжність

Команда використала лазерний комплекс OMEGA в Рочестерському університеті, щоб спрямувати лазерні ударні хвилі крізь крихітні зразки алмазу під тиском від 600 ГПа до 1,8 ТПа, фіксуючи дані рентгенівської дифракції за мільярдну частку секунди . Виміряна температура плавлення становить приблизно 7 300 К — більш ніж на 1 000 К нижче, ніж вимірювання 2009 року, проведені Джоном Еггертом та його колегами, і тепер чудово узгоджується з квантово-механічними симуляціями, які теоретики не могли примирити з експериментом протягом двох десятиліть .

2. При поодинокому ударі алмаз пропускає проміжні фази та плавиться безпосередньо

Дані рентгенівської дифракції показали, що кристалічна структура алмазу зберігається без переходу в передбачену фазу BC8 (високотискова структура вуглецю) перед плавленням. Ґратки алмазу залишаються неушкодженими, доки атоми вуглецю раптово не переходять у невпорядковану рідину . Команда пояснює це кінетичним захопленням: при швидкому поодинокому ударі не вистачає часу, щоб міцні зв'язки вуглецю розірвалися та перебудувалися у фазу BC8, тому система плавиться безпосередньо з твердої алмазної структури .

3. Повільніші початкові удари можуть потроїти вихід енергії синтезу в NIF

В експериментах з інерційного термоядерного синтезу (ІТС) у NIF алмазні капсули містять паливо з дейтерію та тритію. Уточнена модель вуглецю з цього дослідження показує, що використання трохи повільніших початкових ударних хвиль — які все ще повністю плавлять алмаз — зробить термоядерне паливо більш стисливим, дозволяючи отримувати більший вихід енергії з тією ж лазерною накачкою. Симуляції вказують, що це може збільшити вихід термоядерної енергії до трьох разів, за умови контролю інших механізмів деградації .

4. Алмаз плаває у власному розплаві (як лід у воді)

За високого тиску твердий алмаз є менш щільним, ніж металевий рідкий вуглець, в який він плавиться. Це означає, що твердий алмаз плаває в рідкому вуглеці — аналогічно до того, як кубики льоду плавають у воді . Це також спричиняє від'ємний нахил кривої Клапейрона на частині діапазону плавлення, де підвищення тиску фактично знижує температуру плавлення .

Наслідки для досліджень термоядерної енергії

Дослідження безпосередньо вдосконалює моделі конструкції ІТС. Поточні симуляції імплозії в NIF тепер можуть включати експериментально підтверджені рівняння стану вуглецю, що усуває ключове джерело невизначеності в роботі капсул . Прогнозоване збільшення виходу енергії (до трьох разів) є значним потенційним поштовхом для досягнення режимів синтезу з вищим виходом у NIF, хоча дослідники застерігають, що це залежить від контролю інших механізмів деградації капсул . Алмазні капсули вже є центральним елементом рекордних пострілів NIF — високоякісна алмазна капсула забезпечила досягнення NIF рекордного виходу термоядерної енергії 8,6 МДж 7 квітня 2025 року . Краще розуміння фазової поведінки алмазу безпосередньо впливає на наступне покоління цих мішеней.

Наслідки для планетології

Умови тиску та температури, досягнуті в експериментах, безпосередньо стосуються надр крижаних гігантів, таких як Уран і Нептун (тиск до ~1,8 ТПа, що можна порівняти з умовами в глибині цих планет) . Відкриття, що алмаз може співіснувати з рідким металевим вуглецем і плавати в ньому, допомагає моделювати «алмазний дощ» — давно гіпотетичне випадання алмазу з шарів рідкого вуглецю в надрах крижаних гігантів. Спостереження, що алмаз метастабільно зберігається при швидкому стисненні, також дає інформацію про поведінку вуглецю під час формування планет та динамічних подій .