Diamant under ekstremt pres: Ny forskning kan tredoble fusionsenergi og kortlægge Uranus og Neptuns indre

I 20 år stod fysikere fast: Teorien sagde, at diamant skulle smelte ved én temperatur under ekstremt tryk, men eksperimenter viste konsekvent et andet tal – et gab på mere end 1.000 °C, der underminerede både forskning i fusion og planetvidenskab. Nu har et hold ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) lukket hullet, og implikationerne rækker fra National Ignition Facility til indre af Uranus og Neptun .

Hvad det nye eksperiment viste

Offentliggjort i Nature Physics brugte LLNL-forskere laser-drevne chokkompressioner ved Omega-laserfaciliteten til at opvarme små diamantprøver til tryk højere end dem i centrum af Uranus og Neptun . Holdet indfangede røntgendiffraktionsdata for direkte at måle atomstrukturen under smeltning, hvilket tidligere eksperimenter manglede opløsning til .

Ifølge LLNL-forsker Marius Millot var holdet "i stand til at tage små diamantprøver og chokkomprimere dem til temperaturer varmere end solens overflade og til tryk højere end i centrum af Neptun og Uranus – og stadig måle atomstruktur, temperatur, densitet og optisk reflektivitet" .

Hovedresultatet: den nye måling af diamants smeltetemperatur stemte næsten perfekt overens med kvantebaserede simuleringer og lukkede dermed en uoverensstemmelse på cirka 20 %, der havde plaget feltet i to årtier . Eksperimenterne viste også, at kulstof forblev i en diamantstruktur hele vejen indtil smeltning og sprang en mellemliggende krystallinsk fase over, som nogle tidligere eksperimenter havde antydet .

Hvorfor nøjagtighed er afgørende for inertifusionsfusion

Ved National Ignition Facility (NIF) bruges diamant som ablator-skallen, der indkapsler fusionsbrændstoffet under implosioner . Smelteadfærden og tilstandsligningen, der styrer, hvordan kapslen reagerer på ekstremt tryk og varme, er afgørende for at opnå effektiv kompression.

Ved at anvende de korrigerede smeltedata mener forskerne, at de kan "tredoble energiforøgelsen" fra NIF's fusionsimplosioner gennem mere effektiv kompression og bedre kapseldesign . Det er et væsentligt skridt mod målet om inertifusionsfusion som en levedygtig energikilde.

Hvad det betyder for Uranus og Neptun

Eksperimenterne nåede tryk og temperaturer, der overstiger dem i isgigant-planeternes indre, og gav den første direkte bekræftelse af, at krystallinsk diamant kan forblive stabil dybt inde i Uranus og Neptun . Dataene viser, at diamant smelter til en tættere, metallisk væske under disse forhold, hvilket direkte informerer modeller af planetarisk struktur, termisk udvikling og endda udfældningen af diamant-'regn' i disse verdener .

Dette bygger videre på tidligere chokkompressionsstudier, der allerede havde antydet, at diamant kunne være stabil dybt inde i kæmpeplaneter, og viser, at smeltekurven har en negativ Clapeyron-hældning ved ultrahoje tryk – diamant bliver tættere, når det smelter, hvilket er det modsatte af, hvad der sker med is på Jordens overflade .

En sjælden afstemning mellem teori og eksperiment

Uoverensstemmelser mellem eksperimentelle og beregningsmæssige resultater er almindelige i højtryksfysik, men de løses sjældent så rent som denne. Kombinationen af forbedret diagnostik og røntgendiffraktion gjorde det muligt for LLNL-holdet at måle, hvad tidligere eksperimenter ikke kunne, og resultatet matchede teori inden for fejlmargenen .

Resultaterne kan også have bredere betydning for kulstofs faseadfærd: diamant er den stabile allotrope form af kulstof ved tryk op til 1 terapascal, men over denne grænse forudsiger beregninger dannelsen af en rumcentreret kubisk struktur (BC8), og ved tryk over 3 TPa forudsiges en simpel kubisk struktur . Denne nye forståelse af diamants smeltekurve vil forfine kulstoffasediagrammet under de ekstreme forhold, hvor disse andre faser kan optræde.