ダイヤモンドの融解温度7300Kを確認。20年にわたる理論と実験のギャップを埋めるLLNLの成果

米ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究チームが、ダイヤモンドが超高温高圧下でどのように融けるかを世界で初めて精密に実験測定し、20年にわたって理論家と実験家を分けてきた対立を解決した。この研究は2026年8月13日付で『Nature Physics』誌に掲載され、マリウス・ミロー（Marius Millot）率いるチームが、レーザー駆動の衝撃波を用いて地球の核の3倍以上の圧力と太陽の表面温度を超える温度を発生させて実験を行った。この成果は、国立点火施設（NIF）での慣性核融合や、氷惑星（天王星や海王星）の内部で起きるとされる「ダイヤモンドの雨」の理解に直接的な影響を及ぼす。

主な発見（4つ）

1. 融解温度約7300K──20年にわたる不一致を解消

研究チームは、ロチェスター大学のOMEGAレーザー施設で、微小なダイヤモンド試料に600GPa（ギガパスカル）から1.8TPa（テラパスカル）のレーザー駆動衝撃波を当て、10億分の1秒という超高速でX線回折データを取得した。測定された融点は約7300Kで、これはジョン・エガートらによる2009年の実験値より1000K以上低く、量子力学シミュレーションと極めてよく一致した。これにより、理論家がこれまで20年にわたり実験値と矛盾していた問題が解決した。

2. 1回の衝撃で、中間相を経ずに直接融解

X線データは、ダイヤモンドが「BC8相」（炭素の超高圧構造）に変化することなく、結晶構造を保ちながら、炭素原子が突然に無秩序な液体へと崩れることを示した。チームは、この現象を「運動学的トラッピング（kinetic trapping）」によるものだと説明している。つまり、1回の高速衝撃波では強固な炭素結合が壊れてBC8構造へと再配列する時間がなく、ダイヤモンド構造のまま直接融解するという。

3. 初期衝撃波を遅くすることで核融合エネルギー増倍率が最大3倍に

NIFでの慣性核融合実験では、ダイヤモンド製カプセルが重水素と三重水素の燃料を封じ込める。今回の研究で改良された炭素状態方程式（EOS）を反映させると、初期衝撃波を少しだけ遅くしてもダイヤモンドは完全に融け、燃料がより圧縮されやすくなるため、同じレーザー駆動でより高いエネルギー収量が得られる。シミュレーションでは、他の劣化要因を制御できれば、核融合エネルギー増倍率を最大3倍に高められる可能性がある。

4. 高圧下では固体ダイヤモンドが液体炭素に浮く（氷が水に浮くのと同じ）

高圧下では、固体ダイヤモンドの密度が、それが融けてできた金属液体炭素よりも小さくなる。つまり、水に浮かぶ角氷のように、固体ダイヤモンドが液体炭素の上に浮く。この現象により、ダイヤモンドの融解範囲の一部で、圧力を上げると融解温度が下がるという負のクラペイロン勾配が生じる。

核融合エネルギー研究への影響

この研究は、NIFの慣性核融合設計モデルを直接的に改善する。NIFの現在の爆縮シミュレーションは、実験的に検証された炭素の状態方程式を取り入れることで、カプセル性能の不確実性の主要な原因を取り除くことが可能となった。予測されるエネルギー増倍率（最大3倍）は、NIFでより高収量の核融合領域に到達するための有力な後押しとなるが、研究チームはそれがカプセルの他の劣化メカニズムの制御にかかっていると注意を促している。ダイヤモンドカプセルはすでにNIFの記録的な実験の中心にあり、2025年4月7日には高品質のダイヤモンドカプセルにより8.6MJの核融合収量を達成している。ダイヤモンドの相挙動の理解を深めることは、次世代ターゲットの設計に直接活かされる。

惑星科学への影響

実験で達成された圧力・温度条件は、天王星や海王星のような氷惑星の内部（最大約1.8TPa、これはこれらの惑星の深部に匹敵する）に直接関係している。固体ダイヤモンドが液体の金属炭素と共存し、その上に浮くという発見は、氷惑星内部で液体炭素の層からダイヤモンドが沈殿して降るという「ダイヤモンドの雨」仮説のモデル化を前進させる。また、高速圧縮下でダイヤモンドが準安定状態を保つという観察結果は、惑星形成時や衝撃イベントにおける炭素の挙動を理解する上でも重要な手がかりとなる。