美国研究揭示高压钻石熔化机制或提升惯性约束聚变性能

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 研究团队近日在《自然·物理学》发表研究称，最新动态压缩实验首次直接记录了钻石在极端高压下熔化过程中的原子结构变化。实验显示，在高压条件下，固态钻石可漂浮在液态金属碳中，类似冰块漂浮在水面上。

钻石不仅是高硬度碳材料，也被用于惯性约束聚变实验中的燃料靶丸外壳。强激光驱动靶丸内爆时，钻石外壳的压缩和熔化行为会影响聚变燃料能否达到所需的高温高压状态。与此同时，行星科学界也长期关注碳在冰巨行星深部的高压行为，因为海王星、天王星等行星内部可能存在“钻石雨”现象。

研究人员表示，他们对微小钻石样品进行了冲击压缩，使其温度高于太阳表面、压力高于海王星和天王星中心，并达到超过地球核心压力约三倍的条件。在这一过程中，团队同步测量了样品的原子结构、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量子力学模拟预测结果存在约20%的差异。约20年前，LLNL研究人员曾发现，钻石在高压熔化时密度会增加，这意味着高压下液态碳密度高于固态钻石。但此后理论模拟始终难以复现实验结果。

为解决这一问题，LLNL团队在罗切斯特大学激光能量学实验室 (LLE) 开展了激光驱动动态压缩实验。研究人员利用欧米茄激光装置汽化样品外层，产生强冲击波并迅速穿过钻石内部。由于高压状态仅持续约十亿分之一秒，团队必须在极短时间内获取包括X射线衍射在内的关键数据。

研究人员称，这是首次利用X射线衍射技术直接探测冲击压缩钻石直至熔化的过程。新的诊断手段修正了此前熔点测量偏差，使实验结果与模拟结果基本一致，也弥合了持续约20年的数据差距。

此次实验还回应了另一项高压研究中的疑问。此前，桑迪亚国家实验室 (Sandia National Laboratories) 利用Z装置 (Z machine) 对金刚石样品进行冲击压缩时，曾观测到可能指向中间晶体相的实验特征。最新研究则显示，在本次单次冲击条件下，碳在熔化前始终保持金刚石结构，并未经历中间相。研究人员认为，这可能与样品受冲击时间极短有关，材料尚未完成结构转变便进入熔化过程。

这一结果对惯性约束聚变实验具有直接参考价值。在国家点火装置 (NIF) 的聚变实验中，激光产生的冲击波会推动微小钻石胶囊向内运动，将内部聚变燃料压缩至极端条件。若初始冲击波能将钻石外壳熔化为均匀平滑的流体，可减少内爆缺陷，提高聚变反应成功概率。

LLNL研究人员表示，新数据表明，即便初始冲击速度略低，钻石靶丸仍可能实现完全熔化。较慢的冲击有助于提高聚变燃料可压缩性，在相同激光能量条件下可能带来更高能量输出。模型预测显示，在其他退化机制得到控制的前提下，这类方案有望使能量增益达到约三倍。

该研究也为冰巨行星内部模型提供了新依据。由于人类无法直接探测海王星和天王星深部环境，相关认识主要依赖实验室高压实验和理论模型。钻石在极端压力下的熔化数据，有助于改进对碳结晶、下沉以及“钻石雨”形成过程的判断。

LLNL团队下一步计划利用国家点火装置开展更极端条件下的钻石行为研究，重点考察钻石胶囊在内爆后续阶段的响应，以及其结构在多次冲击波作用下的稳定性极限。