20年争议终结：钻石在极压下的熔点谜题被解开

在长达20年的时间里，物理学家们一直陷入困境：理论认为，在极端压力下，钻石应该在某一温度下熔化，但实验得出的却是另一个温度——两者之间超过1000°C的差距，不仅动摇了聚变研究的基础，也让行星科学备受困扰。如今，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个团队终于填补了这一鸿沟，其影响范围从国家点火装置（NIF）延伸至天王星和海王星的内部深处 。

新实验发现了什么

该研究发表在《自然·物理》上。LLNL的研究人员在欧米伽激光装置（Omega Laser Facility）上利用激光驱动冲击压缩，将微小的钻石样本加热到压力超过天王星和海王星核心的状态 。团队通过捕捉X射线衍射数据，直接测量了熔化过程中的原子结构——这是早期实验因分辨率不足而无法做到的 。

LLNL科学家Marius Millot表示，他们“能够取用微小的钻石样本，通过冲击压缩将其加热到比太阳表面温度还高、压力比海王星和天王星中心还大的状态——并仍然测量了其原子结构、温度、密度和光学反射率” 。

关键结果：新的钻石熔点测量值与基于量子的模拟计算几乎完全吻合，从而终结了困扰该领域长达20年、约20%的偏差 。实验还表明，碳在彻底熔化前一直保持钻石结构，跳过了早期某些实验曾认为存在的中间结晶相 。

精度为何对惯性约束聚变至关重要

在国家点火装置（NIF）中，钻石被用作包裹聚变燃料的烧蚀层（ablator shell） 。该层在极端压力和热量下的熔化行为及状态方程，决定了其在压缩过程中的响应，是实现高效聚变的关键。

通过应用修正后的熔化数据，研究人员相信可以通过更高效的压缩和更好的靶丸设计，“将NIF聚变内爆的能量增益提高三倍” 。这标志着我们朝着将惯性约束聚变发展为可用能源的目标迈出了重要一步。

对天王星和海王星意味着什么

该实验达到了超过冰巨星内部的压力和温度，首次直接证实了晶体钻石可以在天王星和海王星深处稳定存在 。数据显示，在这些条件下，钻石会熔化成密度更高、具有金属特性的流体——这直接为行星结构、热演化甚至这些星球内部“钻石雨”沉积模型的构建提供了依据 。

这项研究建立在早期冲击压缩研究的基础之上——那些研究曾提出钻石可能在巨行星内部保持稳定，并指出其熔化曲线在超高压力下具有负的克拉佩龙斜率（即钻石熔化时密度变大，与地球表面冰的熔化行为相反）。

理论与实验的罕见和解

在高压力物理学中，实验结果与计算结果不符的情况很常见，但像这次一样得到清晰解决的情况却很少。结合增强的诊断技术和X射线衍射，LLNL团队测量到了早期实验无法捕捉的数据，而结果与理论预测的误差在允许范围内 。

该发现对于碳的相变行为可能具有更广泛的意义：在压力高达1太帕斯卡（TPa）时，钻石是碳唯一的稳定同素异形体 。而超过这一阈值，计算表明会形成体心立方结构（BC8）；在超过3 TPa的压力下，则预测会出现简单立方结构 。这次对钻石熔化曲线的新认识，将有助于完善碳在那些其他相可能出现的极端条件下的相图。