A gyémánt, ami nem ékszer — és az a bizonyos húszéves rejtély

Oké, bevallom — amikor először olvastam erről a kutatásról, a padlót kellett kaparnom az államtól. A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium tudósai úgy döntöttek, hogy fogják a gyémánt apró darabjait, összenyomják őket nagyobban, mint a Neptunusz és az Uránusz magja, felperzselik őket forróbban, mint a Nap felszíne, és aztán kitalálják, hogy a fenében mi történik odabent az atomokkal. Hát nem zseniális?

A gyémánt nem csak gyűrűkbe és karkötőkbe való, emberek. Ez az anyag, ami a legkeményebb, amit ismerünk, komoly gyakorlati alkalmazásokkal bír. Például azokban a kapszulákban használják, amelyek a fúziós kísérletekben tartják az üzemanyagot — igen, olyanokban, amik egyszer talán szinte korlátlan tiszta energiát adhatnak nekünk. És a tudósok úgy vélik, hogy gyémántok képződhetnek és akár le is eshetnek a Neptunuszhoz és az Uránuszhoz hasonló bolygók mélyén. Hát nem őrület?

Na de itt jön a lényeg. Húsz éven át a kutatók a fejüket vakarták, mert egyszerűen nem értették, mi a helyzet. Voltak kísérletek, ahol összenyomták a gyémántot és mérték az olvadási hőmérsékletét. És voltak szuperszámítógépes szimulációk, amelyek azt jósolták, mi történne a kvantummechanika törvényei alapján. A baj csak az, hogy nem egyeztek. Egyáltalán nem. A kísérleti és az elméleti számok nagyjából húsz százalékot tértek el egymástól. Ez olyan, mintha a GPS azt mondaná, hogy a célpont százhúsz kilométerre van, holott százon.

És még valami. 2004 körül Jon Eggert tudós felfedezett valami meglehetősen meglepőt. Amikor a gyémánt extrém nyomás alatt megolvad, valójában sűrűbb lesz. Tudom, tudom — a legtöbb anyag tágul, amikor megolvad (gondolj csak a jégre, ami vízzé válik). De a szén különleges. Ez azt jelentette, hogy ha valahogy sikerülne egy darab gyémántot lebegtetni folyékony szénben elég nagy nyomáson, az... elsüllyedne. Hát igen.

Volt még egy rejtély is. A Sandia Nemzeti Laboratóriumok korábbi kísérletei azt sugallták, hogy a gyémánt talán átmegy valamiféle közbülső kristályszerkezeten, mielőtt teljesen megolvadna. A számítógépes modellek támogatták ezt az ötletet, de senki nem tudta ténylegesen látni az atomok elrendeződését. Olyan volt, mintha csak pletykákat hallottál volna egy titkos szobáról egy házban, de soha nem találtad volna meg az ajtót.

Na de hogyan lehet kitalálni, mi történik az atomokkal ilyen őrült körülmények között? Lézerekkel, persze. (Csak félig tréfálok.)

A csapat az University of Rochester Omega Lézer Létesítményébe ment, ahol intenzív lézernyalábokkal elpárologtatták a kicsi gyémántminták külső rétegét. Ez a párologtatás egy hatalmas lökéshullámot hozott létre, ami kevesebb mint egy milliárdod másodperc alatt végigsöpört a gyémánton. Gondolj bele: összenyomsz valamit olyan gyorsan, hogy az egész véget ér, mielőtt az agyad egyáltalán feldolgozná, hogy megtörtént.

A igazán nehéz rész azonban az volt, hogy röntgen-diffrakciót kellett mérniük ebben a pillanatszerű eseményben, hogy lássák az atomok elrendeződését. Itt a probléma: a szénatomok kicsik és könnyűek, tehát nem verik vissza jól a röntgensugarakat. Olyan volt, mintha nagyon gyenge fényben próbáltál volna fényképezni.

„Nagyon nehéz, mert a szén kicsi és könnyű atom" — magyarázta Marius Millot kutató. „Nagyon kevés röntgensugarat ver vissza, tehát a mérendő jel elég halvány volt."

De az a fejlesztett diagnosztikai felszerelés, amin dolgoztak, működött. És amikor megnézték az eredményeket? Minden a helyére került. Az új olvadási hőmérséklet szinte tökéletesen egyezett a kvantummechanikai szimulációkkal. Húsz év fejcsapálása, megoldva.

És ami még érdekesebb: amit NEM találtak. Az a gyanított közbülső kristályszerkezet? Valószínűleg nem is létezik. A gyémánt gyémánt marad egészen addig a pillanatig, amíg meg nem olvad. Nincs titokzatos köztes állapot, nincs rejtett ajtó — csak egyenes átalakulás szilárdból folyadékba.

Jon Eggert, aki húsz évvel ezelőtt elkezdte ezt a vizsgálatot, gyönyörűen fogalmazott: „Bár frusztráló volt felfedezni, hogy az eredeti hőmérséklet-méréseink több mint ezer fokkal tértek el, izgalmas látni, hogy milyen drámai javulást hozott az új diagnosztika az adatminőségben."

Imádom ezt az őszinteséget. A tudomány nem arról szól, hogy elsőre igazad legyen — arról szól, hogy idővel jobb eszközeid és jobb ötleteid vannak. Néha a „rossz" eredmények többet tanítanak nekünk, mint a „helyesek", mert arra ösztönöznek, hogy jobb kísérleteket építsünk.

Szóval miért kellene ez Neked? Nos, kezdésként ezek az eredmények megtriplázhatják az energiahozamot a tehetetlenségi bezárású fúziós kísérletekben. Ez nagyon fontos, amikor a tiszta energia jövőjéről beszélünk. És a bolygótudomány oldaláról: ha megértjük, hogyan viselkedik a gyémánt extrém nyomáson, jobb modelleket építhetünk arról, mi történik a jégóriás bolygók belsejében. Lehet, hogy csak talán, valahol a Neptunusz mélyén tényleg gyémánt esik — és most már pontosan tudjuk, mit jelent ez.

Néha a legőrültebb fizika ott rejtőzik a szemünk előtt, bezárva a legkeményebb anyagba, amit ismerünk.