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科学家终解钻石熔化20年之谜
在极端压力下对钻石熔化的直接测量解决了一个长期存在的理论与实验不匹配问题，可能推动聚变研究和行星模型改进。钻石不仅是宝石。这种极其坚硬的碳形态也用于惯性约束聚变实验中包裹燃料的微型胶囊……
来源:SciTech日报在极端压力下对金刚石熔化的直接测量解决了一个长期存在的理论与实验不匹配问题，可能同时改进聚变研究和行星模型。
金刚石不仅是宝石。这种异常坚硬的碳形式还用于惯性约束聚变实验中包裹燃料的微小胶囊，研究人员认为碳可能形成金刚石，穿过海王星和天王星等冰巨星的内部。
这两种环境都将金刚石暴露在巨大压力下，然而实验和计算机模拟长期以来对材料在这种极端条件下发生的情况产生了相互矛盾的描述。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员现已测量了金刚石在压力达到地球核心三倍时的熔化情况。他们的研究结果发表在《自然物理学》上。
"我们能够取微小的金刚石样品，通过冲击压缩将其加热到比太阳表面更高的温度，加压到比海王星和天王星中心更高的压力——并且仍然测量原子结构、温度、密度和光学反射率，"作者兼LLNL科学家Marius Millot说。
这些测量解决了该领域两个长期存在的分歧，并使实验结果与基于量子力学的模拟紧密一致。这些发现可能对惯性约束聚变产生影响，预测表明可能实现高达三倍的能量增益，同时也有助于描述极端压力下行星内部的模型。
一个几十年的不匹配得到解决
LLNL研究人员花费数十年研究极端条件下的金刚石。大约20年前，实验室科学家Jon Eggert及其同事进行了开创性的高压熔化实验，发现金刚石熔化时变得更致密。
"虽然这在大多数材料中相当不寻常，但我们都熟悉这种行为的一个例子，"LLNL科学家Marius Millot说。"液态水比冰更致密，这使得冰块漂浮。Jon的发现意味着金刚石在高压下会漂浮在液态碳中。"
但这些有影响力的实验也留下了一个重大难题。实验测量的熔化温度与理论预测相差约20%。
"无论理论家做什么——即使使用最先进的计算机模拟技术——他们也无法重现实验结果，"Millot说。
另一个未解问题来自桑迪亚国家实验室的实验。那里的研究人员使用Z机器的强大磁场冲击压缩小金刚石样品，检测到信号表明金刚石可能在熔化前转变为另一种晶体形式。模拟支持这种可能性，但原子排列从未被直接测量过。
X射线捕捉金刚石熔化
为了解决这两个问题，LLNL研究人员在罗切斯特大学激光能量学实验室进行了激光驱动动态压缩实验。在Omega激光设施中，激光蒸发微小金刚石样品的外表面，产生强大的冲击波压缩内部材料。
在此过程中获得精确测量特别困难，因为极端压力状态仅持续约十亿分之一秒。在这个短暂的时间间隔内，研究人员需要收集多个测量数据，包括揭示原子排列的X射线衍射。
"这是第一次用X射线衍射探测冲击压缩金刚石直至熔化，"Millot说。"这些测量极其困难，因为碳是小的轻原子。它散射的X射线很少，所以我们需要测量的信号相当微弱。"
由LLE团队开发和维护的改进诊断仪器产生了金刚石熔化温度的新测量值。这一次，实验值与模拟几乎完美吻合，解决了持续约二十年的分歧。
"虽然发现我们原来的温度测量偏差超过1,000度令人沮丧，但看到新诊断仪器数据质量的显著提高令人兴奋，"Eggert说。"更好的是，我们最初关于熔化的推断现已通过X射线衍射直接确认。"
实验还产生了与先前桑迪亚指示的可能相变不同的结果。在单次冲击下，碳保持金刚石结构直至熔化，未检测到中间晶相。
"我们认为这是因为样品在仅经历单次冲击时没有时间改变。它仍然被'困'在金刚石结构中，"Millot说。
这种区别可能对未来高能量密度实验和模拟很重要，因为它表明材料的响应不仅取决于其压力和温度，还取决于冲击的施加方式。
较慢的冲击可能提高聚变产量
理论与实验的一致可能对聚变实验产生直接影响。
在惯性约束聚变中，强大的激光产生冲击，迫使微小的金刚石胶囊向内运动。由此产生的内爆压缩其中封闭的聚变燃料，直到燃料达到聚变所需的极端压力和温度。
在第一次冲击期间，金刚石需要熔化成光滑、均匀的流体。否则内爆的不规则性可能干扰聚变反应。为确保熔化发生，LLNL国家点火设施的科学家通常从相对较强的冲击开始。
"我们的工作表明，我们可以使用稍慢的初始冲击，仍然在我们的NIF内爆中实现金刚石的完全熔化，"Millot说。"这令人兴奋，因为这种较慢的冲击会使聚变燃料更易压缩。这反过来增加了我们在相同激光能量下可获得的最大能量产量。"
如果其他性能损失源得到控制，预测表明使用这些较慢的冲击可以使能量增益提高三倍。
这些发现深入冰巨星内部
新测量还为试图了解海王星和天王星的科学家提供了有用信息。由于这些冰巨星深层内部无法直接观测，行星研究人员依赖实验和模型来确定表面以下深处可能发生的情况。一些研究表明碳可以在深处结晶并以"金刚石雨"的形式穿过行星。由于最新实验达到的压力高于冰巨星内部预期，修正后的熔化数据可以帮助支持更现实的其形成和演化模型。
LLNL研究人员下一步计划利用NIF的能力研究在其他地方难以复制的更极端条件下的金刚石。他们希望确定金刚石胶囊在内爆后期阶段的行为，并确定金刚石结构在经受多次冲击波序列时能保持稳定多长时间。
参考文献："1 TPa压力下冲击压缩实验中金刚石的熔化"，作者Marius Millot、Federica Coppari、Amy Lazicki、Yong-Jae Kim、Otto L. Landen、Vladimir A. Smalyuk、Peter M. Celliers和Jon H. Eggert，2026年8月13日，《自然物理学》。
DOI: 10.1038/s41567-026-03413-1
本研究由LLNL实验室指导研究与开发计划支持。
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