Đo lường điểm nóng chảy của kim cương dưới áp suất cực đại: Thành tựu có thể nhân ba năng lượng nhiệt hạch và giải mã sao Thiên Vương, Hải Vương

Trong suốt 20 năm, các nhà vật lý đã bế tắc: lý thuyết dự đoán kim cương sẽ nóng chảy ở một nhiệt độ nhất định dưới áp suất khủng khiếp, nhưng các thí nghiệm liên tục đưa ra một con số khác, chênh lệch tới hơn 1.000°C. Sự khác biệt này là rào cản lớn cho cả nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân lẫn khoa học hành tinh. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL, Mỹ) đã giải quyết được vấn đề, mở ra những ứng dụng từ Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) cho đến việc tìm hiểu lòng của sao Thiên Vương và Hải Vương .

Thí nghiệm mới phát hiện điều gì?

Được công bố trên tạp chí Nature Physics, nghiên cứu của các nhà khoa học LLNL đã sử dụng kỹ thuật nén sóng xung kích bằng laser tại Cơ sở Laser Omega để đốt nóng các mẫu kim cương cực nhỏ, tạo ra áp suất vượt quá áp suất tại tâm của sao Thiên Vương và Hải Vương . Nhóm nghiên cứu đã thu thập dữ liệu nhiễu xạ tia X để đo trực tiếp cấu trúc nguyên tử trong quá trình nóng chảy, một điều mà các thí nghiệm trước đây không thể làm được .

Theo nhà khoa học LLNK Marius Millot: "Chúng tôi đã có thể lấy những mẫu kim cương nhỏ bé và nén chúng bằng sóng xung kích đến nhiệt độ nóng hơn cả bề mặt Mặt Trời và áp suất cao hơn tâm của sao Hải Vương — và vẫn đo được cấu trúc nguyên tử, nhiệt độ, mật độ và độ phản xạ quang học" .

Kết quả chính: nhiệt độ nóng chảy mới đo được của kim cương gần như trùng khớp hoàn hảo với các mô phỏng dựa trên cơ học lượng tử, thu hẹp khoảng cách khoảng 20% vốn tồn tại trong suốt hai thập kỷ . Thí nghiệm cũng cho thấy carbon vẫn giữ nguyên cấu trúc kim cương cho đến khi nóng chảy, bỏ qua một pha tinh thể trung gian mà một số thí nghiệm trước đây từng gợi ý .

Tầm quan trọng đối với phản ứng tổng hợp hạt nhân quán tính

Tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF), kim cương được sử dụng làm lớp vỏ bọc (ablator) chứa nhiên liệu nhiệt hạch trong quá trình nén implosion . Hành vi nóng chảy và phương trình trạng thái chi phối cách viên nang (capsule) phản ứng với nhiệt độ và áp suất cực hạn là yếu tố sống còn để đạt được hiệu quả nén tối ưu.

Bằng cách áp dụng dữ liệu nóng chảy đã được hiệu chỉnh, các nhà nghiên cứu tin rằng họ có thể "nhân ba năng lượng thu được" từ các vụ nổ implosion nhiệt hạch của NIF thông qua quá trình nén hiệu quả hơn và thiết kế viên nang tốt hơn . Điều này là một bước tiến đáng kể hướng tới mục tiêu biến phản ứng tổng hợp hạt nhân quán tính thành một nguồn năng lượng khả thi.

Ý nghĩa đối với Sao Thiên Vương và Hải Vương

Các thí nghiệm đã đạt tới áp suất và nhiệt độ vượt quá điều kiện tìm thấy trong lòng các hành tinh băng khổng lồ, cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng kim cương tinh thể có thể tồn tại ổn định sâu bên trong Sao Thiên Vương và Hải Vương . Dữ liệu cho thấy ở những điều kiện đó, kim cương nóng chảy thành một chất lỏng kim loại đặc hơn, điều này trực tiếp giúp xây dựng các mô hình về cấu trúc hành tinh, sự tiến hóa nhiệt, và thậm chí là quá trình hình thành 'mưa kim cương' bên trong các thế giới này .

Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu nén sóng xung kích trước đó vốn đã gợi ý về sự ổn định của kim cương sâu trong lòng các hành tinh khổng lồ, cho thấy đường cong nóng chảy có độ dốc Clapeyron âm ở áp suất cực cao. Điều này có nghĩa là kim cương trở nên đặc hơn khi nóng chảy, trái ngược với hành vi của băng trên bề mặt Trái Đất .

Sự thống nhất hiếm có giữa lý thuyết và thực nghiệm

Những bất đồng giữa kết quả thực nghiệm và tính toán là phổ biến trong vật lý áp suất cao, nhưng hiếm khi được giải quyết một cách triệt để và rõ ràng như trường hợp này. Sự kết hợp giữa các thiết bị đo tiên tiến và nhiễu xạ tia X đã cho phép nhóm LLNL đo được những gì các thí nghiệm trước đây không thể, và kết quả phù hợp với lý thuyết trong phạm vi sai số cho phép .

Những phát hiện này cũng có thể có ý nghĩa rộng lớn hơn đối với hành vi pha của carbon: kim cương là dạng thù hình ổn định của carbon ở áp suất lên tới 1 terapascal. Tuy nhiên, vượt quá ngưỡng đó, các tính toán dự đoán sự hình thành của cấu trúc lập phương tâm khối (BC8), và ở áp suất trên 3 TPa, người ta dự đoán một cấu trúc lập phương đơn giản sẽ xuất hiện . Sự hiểu biết mới về đường cong nóng chảy của kim cương sẽ giúp tinh chỉnh biểu đồ pha của carbon ở những điều kiện khắc nghiệt nơi các pha khác này có thể xuất hiện.