美国实验揭示高压下钻石熔化行为，或助推惯性约束聚变研究

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研究人员在《自然·物理学》发表新研究，记录了钻石在超过地球核心条件约三倍的压力下的熔化过程。实验显示，在高压条件下，钻石会漂浮在液态金属碳中，类似冰块漂浮在水中。这一发现有助于改进惯性约束聚变实验模型，也为理解海王星、天王星等冰巨行星内部可能存在的“钻石雨”现象提供了新依据。

最新熔化实验证实，在高压下，钻石会漂浮在液态金属碳中，就像冰块漂浮在水杯中一样。(概念图：James Wickboldt/LLNL)

研究团队表示，他们对微小钻石样品进行了冲击压缩，使其达到高于太阳表面的温度，以及高于海王星和天王星中心的压力，并同步测量原子结构、温度、密度和光学反射率。长期以来，实验观测到的钻石熔点与基于量子力学的模拟结果存在约20%的差异，此次实验使两者基本吻合，弥合了持续约20年的数据分歧。

此次实验在罗切斯特大学激光能量学实验室的欧米茄激光装置上完成。科学家利用激光汽化微小样品外层，产生强冲击波并穿过钻石内部。由于高压状态仅持续十亿分之一秒量级，研究人员必须在极短时间内完成关键诊断，包括获取揭示原子结构的X射线衍射数据。

研究人员称，这是首次利用X射线衍射技术探测冲击压缩金刚石直至熔化的过程。由于碳原子体积小、质量轻，散射出的X射线信号非常微弱，测量难度很高。改进后的诊断工具帮助团队重新确定了熔点数据，并直接证实了此前推断的熔化现象。

研究还发现，在单次冲击压缩条件下，碳在熔化前始终保持金刚石结构，并未经历其他中间晶体相。团队认为，这可能是因为样品在一次冲击过程中没有足够时间发生结构转变，仍被“困”在钻石结构中。该结果表明，材料在极端条件下的响应不仅取决于压力和温度，也与冲击加载方式密切相关。

这一发现对惯性约束聚变研究具有直接参考价值。在相关实验中，强激光驱动冲击波，使微小金刚石胶囊向内内爆，并将其中聚变燃料压缩到实现聚变所需的高温高压状态。研究人员表示，若首次冲击即可使钻石靶丸完全熔化为更均匀、光滑的流体，可减少内爆缺陷，提升实验稳定性。

根据此次结果，即便初始冲击速度略慢，国家点火装置的内爆实验仍可能实现钻石完全熔化。较慢冲击有助于提高聚变燃料的可压缩性，在相同激光能量条件下提升最大能量输出。研究预测，在其他影响因素得到控制的前提下，这类较慢冲击可能使能量增益进一步提高。

除聚变研究外，该成果也可服务于行星科学。海王星和天王星等冰巨行星内部难以直接探测，科学家通常依靠实验室极端条件实验和模型进行推断。一些研究认为，冰巨行星深处可能发生碳结晶，形成向内部沉降的“钻石雨”。此次高压钻石熔化数据，将为相关行星形成和演化模型提供更可靠的实验基础。

研究团队计划继续利用国家点火装置探索钻石在更极端条件下的行为，重点研究金刚石胶囊在内爆后续阶段的响应，以及钻石结构在多次冲击波作用下的稳定性极限。