钻石因其美丽而闻名，但其价值远不止珠宝。这种极其坚硬的碳的形式被用于制造承载惯性约束核聚变实验中燃料的微小胶囊。科学家们还认为，钻石可能在海王星和天王星等冰巨星行星表面之下的深处形成并像雨水一样下落。在这两种环境中，钻石都受到巨大压力。然而，研究人员多年来一直难以确定在如此极端条件下材料的确切表现，因为实验室测量和计算机模拟得出了相互矛盾的结果。《自然物理》上的一项新研究可能最终解决了这个问题。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员测量了钻石在三倍于地球核心压力的情况下的融化情况。作者和LLNL科学家马里乌斯·米洛特说：“我们能够对微小的钻石样本进行冲击压缩，使其温度超过太阳表面，并将其处于高于海王星和天王星中心的压力下——仍然可以测量原子结构、温度、密度和光学反射率。”这些结果解决了钻石研究中的两个长期不一致之处，并使实验测量与基于量子力学的模拟更为一致。这些发现也可能产生重要的实际后果。将其应用于惯性约束核聚变，可能让研究人员将能量增益提高三倍，同时更清晰的钻石在高压下的行为图像有助于改进行星内部的模型。20年的钻石融化之谜LLNL的研究人员在极端条件下研究钻石已有几十年。大约20年前，实验室科学家乔恩·埃格特和他的同事们在高压下进行了关于钻石融化的开创性实验。他们的工作产生了一个不寻常的观察结果：钻石在融化时变得更密集。LLNL科学家马里乌斯·米洛特说：“虽然在大多数材料中，这种行为相当不寻常，但我们都知道一个这样的例子。液态水的密度大于冰，这使得冰块可以浮在水面上。乔恩的发现意味着钻石在高压下会浮在液态碳中。”尽管这些实验标志着一个重要的进展，但也创造了一个主要的难题。实验室中测得的融化温度与理论模型预测的温度相差大约20%。米洛特说：“无论理论家们如何努力——即使使用最先进的计算机模拟技术——他们也无法重现这些实验。”另一个未回答的问题来自于桑迪亚国家实验室的实验。那里研究人员使用Z型机器的强大磁场对微小的钻石样本进行冲击压缩。他们的测量结果发出的信号表明，钻石在完全融化为液态碳之前，可能会通过另一种晶体结构。计算机模拟支持了这种解释。然而，研究人员未能直接观察被压缩材料的原子结构，使提出的中间相未得到证实。激光揭示钻石融化时发生的情况为了调查这两大谜团，LLNL团队在罗切斯特大学激光动力学实验室（LLE）进行了激光驱动的动态压缩实验。在Omega激光设施中，研究人员使用强烈的激光能量蒸发微小样本的外层。这个过程在钻石内部产生了强烈的压缩冲击波。由于极端压力条件仅持续约十亿分之一秒，因此收集精确测量尤其困难。在那短暂的时间内，研究人员需要记录材料的几个特性，包括能够揭示原子排列的X射线衍射测量。米洛特说：“这是第一次通过X射线衍射对冲击压缩的钻石进行探测，直到融化。”这些测量极其困难，因为碳是一种小而轻的原子。它散射的X射线非常少，因此我们需要测量的信号相当微弱。LLE的研究人员帮助开发和维护了使这些测量成为可能的改进诊断设备。利用新工具，团队获得了一个更新的融化温度，这几乎与计算机模拟完美匹配，解决了持续了大约20年的分歧。埃格特说：“尽管发现我们原始的温度测量超过1000度的误差令人沮丧，但看到新诊断下数据质量如此显著改善令人兴奋。”他补充道：“更重要的是，我们最初推断的融化现在已通过X射线衍射得到直接证实。”钻石在融化前保持其形态尽管这些实验解决了融化温度的不一致，但它们对桑迪亚结果提出的问题给出了不同的答案。