新鑽石熔點測量：核聚變能量可望三倍增長，冰巨星之謎將解

過去20年，物理學家畀一個問題考起：理論模擬話鑽石喺極端高壓下應該喺某個溫度熔化，但實驗結果總係差咗一大截——差距超過攝氏1,000度。呢個矛盾唔單止阻礙咗核聚變研究，仲搞到行星科學模型冇辦法整準。最近，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）嘅團隊終於搞掂咗呢個問題，成果仲好可能會影響到國家點火設施（NIF）嘅核聚變實驗，以及我哋對天王星同海王星呢啲冰巨星內部嘅理解。

實驗發現咗咩？

呢個研究發表喺權威期刊《自然物理》，LLNL團隊喺奧米加雷射設施（Omega Laser Facility）用雷射驅動嘅衝擊壓縮技術，將極細嘅鑽石樣本加熱到比太陽表面仲要熱嘅溫度，壓力仲高過天王星同海王星嘅中心。佢哋用X射線繞射技術直接測量鑽石喺熔化過程中嘅原子結構變化，呢啲係以前嘅實驗做唔到嘅。

LLNL科學家Marius Millot話：「我哋可以拎住超細嘅鑽石樣本，用衝擊波壓縮到比太陽表面仲熱嘅溫度，壓力仲高過天王星同海王星嘅核心——同時仲可以量度到佢哋嘅原子結構、溫度、密度同光學反射率。」

最重要嘅結果係：今次測到嘅鑽石熔點同量子模擬嘅結果幾乎完全吻合，結束咗呢個困擾學界足足20年、大約20%嘅誤差。實驗仲顯示，碳原子喺熔化之前一路都保持住鑽石嘅晶體結構，冇經過其他實驗所推測嘅中間晶體相。

點解精度對核聚變咁重要？

喺國家點火設施（NIF）嘅慣性約束核聚變實驗入面，鑽石係用嚟做「消融殼」（ablator shell），即係包住核聚變燃料嘅外殼。呢個殼喺極端壓力同熱力下點樣熔化、點樣反應，直接影響到壓縮效率。

研究人員相信，用呢個修正咗嘅鑽石熔化數據，可以「將NIF核聚變嘅能量增益提升三倍」，因為可以設計出更有效嘅壓縮同更好嘅膠囊結構。呢個係邁向慣性約束核聚變成為可行能源嘅重要一步。

對天王星同海王星嘅意義

呢啲實驗達到嘅壓力同溫度，仲高過冰巨星（ice giant planets）嘅內部環境，首次直接證實咗晶體鑽石可以穩定存在喺天王星同海王星嘅深處。數據顯示，鑽石喺嗰啲條件下會熔化成一種密度更高嘅金屬流體，呢個發現可以直接用嚟完善行星結構模型、熱演化模型，甚至解釋呢啲星球內部點樣形成「鑽石雨」。

呢項研究係建立喺之前更早期嘅衝擊壓縮研究之上，之前嘅研究已經估計到鑽石喺巨型行星內部可能係穩定嘅，顯示熔化曲線喺超高壓下有一個「負斜率的克萊珀龍斜率」——即係鑽石熔化之後會變得更密，同地球上冰熔化之後會變水（水密度更高）嘅情況相反。

理論與實驗嘅罕見和解

喺高壓物理學入面，實驗結果同電腦模擬結果有出入係好常見嘅事，但好少可以解決得咁乾淨俐落。LLNL團隊結合咗先進嘅診斷技術同X射線繞射，量度到以前實驗量唔到嘅嘢，結果同理論預測嘅誤差範圍內完全一致。

呢個發現對碳嘅相變行為仲有更深遠嘅意義：喺壓力低過1兆帕斯卡（terapascal）嘅時候，鑽石係碳最穩定嘅同素異形體；但超過呢個壓力，計算顯示會形成一種體心立方結構（BC8）；如果壓力超過3兆帕斯卡，預計會出現簡單立方結構。今次對鑽石熔化曲線嘅新理解，將會完善喺呢啲極端條件下嘅碳相圖，幫助科學家進一步探索其他碳相。