ダイヤモンドの融解温度を20年ぶりに解明、核融合エネルギー3倍増と氷惑星内部の謎に迫る

20年にわたる謎が解けた瞬間

物理学の世界で、20年間にわたり研究者たちを悩ませてきたパズルがありました。理論計算ではダイヤモンドが超高圧下で溶ける温度が一つに定められていたのに、実験ではそれとは大きく異なる値が繰り返し示されていたのです。その差は実に1000°C以上——まるで理論と現実が噛み合わないような、基礎科学としては無視できない問題でした。

米ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）のチームは、この長年の溝を埋めることに成功しました。その結果は、核融合研究から惑星科学に至るまで、広範な分野に波及する可能性を秘めています。

実験の詳細と発見

研究チームは、オメガレーザー施設（Omega Laser Facility）を用いて、レーザー駆動衝撃圧縮という手法で微小なダイヤモンド試料を加熱しました。その圧力は、地球の中心部の3倍、天王星や海王星の中心部を超える極限状態です。チームを率いるLLNLのマリウス・ミロー（Marius Millot）科学者は次のように語ります。「私たちは、太陽の表面よりも高温で、天王星や海王星の中心よりも高圧の状態にまで微小なダイヤモンド試料を衝撃圧縮し、その原子構造、温度、密度、さらには光反射率までも測定することに成功しました」。

この実験では、X線回折データを取得し、融解中の原子構造を直接観測。これにより、理論と実験の間で約20%もあった不一致が、誤差範囲内で完全に一致することが実証されました。また、ダイヤモンドは融解するまで結晶構造を維持し、一部の先行研究が示唆していたような中間的な結晶相を経ないことも明らかになりました。

核融合エネルギーへの応用——3倍の利得

米国立点火施設（NIF）では、核融合燃料を封入する「アブレーターシェル」の材料としてダイヤモンドが使用されています。この殻が極限的な圧力と熱にどう応答するか——その融解挙動と状態方程式は、効率的な圧縮を実現する上で極めて重要です。

今回の正確な融解データを適用することで、研究者らはNIFの核融合爆縮における「エネルギー利得を3倍にできる」と見込んでいます。より効率的な圧縮と、より洗練されたカプセル設計が可能になるからです。これは、慣性閉じ込め核融合（ICF）を持続可能なエネルギー源として現実のものとする上での大きな前進です。

氷惑星の内部構造を解き明かす

この実験で達成された圧力と温度は、天王星や海王星のような「氷惑星」の内部環境を超えるものでした。その結果、結晶質のダイヤモンドが、これらの惑星の深部で安定に存在し得ることが初めて直接確認されました。

さらに、ダイヤモンドはこれらの条件下で、より密度の高い金属的な流体へと融解することが示されました。このデータは、惑星の内部構造、熱進化、さらにはこれらの世界の中で降り注ぐとされる「ダイヤモンドの雨」の形成メカニズムを理解するためのモデルに直接的に貢献します。

この研究は、超高圧下でのダイヤモンドの融解曲線が負のクラペイロン勾配を持つこと——つまり、融解するにつれて密度が増すという、私たちが地上で見る氷とは逆の性質を持つことを示した過去の衝撃圧縮研究の上に成り立っています。

理論と実験の稀な一致

高圧物理学の分野では、実験とコンピューターシミュレーションの間にずれが生じることは珍しくありません。しかし、今回のようにこれほど明確に解決されるケースは稀です。高度な診断技術とX線回折を組み合わせたことで、LLNLチームは過去の実験では捉えられなかった現象を捉え、その結果は理論と誤差範囲内で一致しました。

この知見は、炭素の相挙動に対するより広範な意義も持ちます。ダイヤモンドは1テラパスカル（TPa）までの圧力で安定な炭素の同素体ですが、それを超えると体心立方構造（BC8）が、さらに3TPa以上では単純立方構造が安定になると予想されています。今回のダイヤモンドの融解曲線に関する新たな理解は、これらの他の相が現れる極限状態における炭素の状態図を精緻化することになるでしょう。