Novas medições do ponto de fusão do diamante podem triplicar a energia de fusão e explicar planetas gigantes de gelo

Durante 20 anos, físicos ficaram travados: a teoria dizia que o diamante deveria derreter a uma temperatura sob pressão extrema, mas experimentos consistentemente retornavam um número diferente — uma diferença de mais de 1.000°C que prejudicava tanto a pesquisa em fusão quanto a ciência planetária. Agora, uma equipe do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fechou essa lacuna, e as implicações vão desde o National Ignition Facility até os interiores de Urano e Netuno .

O que o novo experimento descobriu

Publicado na Nature Physics, o estudo dos pesquisadores do LLNL usou compressão por choque com laser na Omega Laser Facility para aquecer minúsculas amostras de diamante a pressões superiores às encontradas nos centros de Urano e Netuno . A equipe capturou dados de difração de raios-X para medir diretamente a estrutura atômica durante a fusão, algo que experimentos anteriores não tinham resolução para fazer .

De acordo com o cientista do LLNL Marius Millot, a equipe "conseguiu pegar minúsculas amostras de diamante e submetê-las a compressão por choque a temperaturas mais altas que a superfície do sol e a pressões maiores que as dos centros de Netuno e Urano — e ainda assim medir a estrutura atômica, temperatura, densidade e refletividade óptica" .

O resultado principal: a nova medição da temperatura de fusão do diamante concordou quase perfeitamente com simulações baseadas em mecânica quântica, fechando uma discrepância de aproximadamente 20% que atormentava a área há duas décadas . Os experimentos também mostraram que o carbono permaneceu em uma estrutura de diamante até derreter, pulando uma fase cristalina intermediária que alguns experimentos anteriores haviam sugerido .

Por que a precisão é importante para a fusão por confinamento inercial

No National Ignition Facility (NIF), o diamante é usado como a casca do ablator que encapsula o combustível de fusão durante as implosões . O comportamento de fusão e a equação de estado que governam como a cápsula responde à pressão e ao calor extremos são críticos para alcançar uma compressão eficiente.

Ao aplicar os dados corrigidos de fusão, os pesquisadores acreditam que podem "triplicar o ganho de energia" das implosões de fusão do NIF por meio de compressão mais eficiente e melhor design da cápsula . Isso representa um passo significativo em direção ao objetivo da fusão por confinamento inercial como fonte de energia viável.

O que significa para Urano e Netuno

Os experimentos atingiram pressões e temperaturas superiores às encontradas no interior de planetas gigantes de gelo, fornecendo a primeira confirmação direta de que o diamante cristalino pode permanecer estável nas profundezas de Urano e Netuno . Os dados mostram que o diamante derrete em um fluido mais denso e metálico sob essas condições, o que informa diretamente os modelos de estrutura planetária, evolução térmica e até mesmo a precipitação de "chuva" de diamante dentro desses mundos .

Isso se baseia em estudos anteriores de compressão por choque que já haviam sugerido que o diamante poderia ser estável nas profundezas de planetas gigantes, mostrando que a curva de fusão tem uma inclinação de Clapeyron negativa em pressões ultra-altas — o diamante fica mais denso à medida que derrete, o oposto do que acontece com o gelo na superfície da Terra .

Uma resolução rara entre teoria e experimento

Discrepâncias entre resultados experimentais e computacionais são comuns na física de altas pressões, mas raramente são resolvidas de forma tão limpa. A combinação de diagnósticos aprimorados e difração de raios-X permitiu que a equipe do LLNL medisse o que experimentos anteriores não conseguiam, e o resultado correspondeu à teoria dentro da margem de erro .

As descobertas também podem ter significado mais amplo para o comportamento da fase do carbono: o diamante é o alótropo estável do carbono em pressões de até 1 terapascal, mas acima desse limiar, cálculos sugerem a formação de uma estrutura cúbica de corpo centrado (BC8), e em pressões acima de 3 TPa, uma estrutura cúbica simples é prevista . Este novo entendimento da curva de fusão do diamante refinará o diagrama de fases do carbono nas condições extremas onde essas outras fases podem aparecer.