熔化的钻石为何“更重”：劳伦斯利弗莫尔实验室破解二十年理论谜案

钻石不仅是珠光宝气的象征，也是核聚变研究与行星科学领域一个令人着迷的物理学难题。

在惯性约束核聚变实验中，燃料被包裹在微小的钻石胶囊内，而科学家同时推测，海王星、天王星这类"冰巨星"内部深处，碳元素或许正以钻石形态不断沉降，形成所谓的"钻石雨"现象。

这两种极端环境都会让钻石承受巨大压力，但长期以来，实验观测结果与计算机模拟之间，始终存在着令人困惑的矛盾。

如今，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究团队，成功测量了钻石在承受相当于地球核心三倍压力条件下融化的全过程，相关成果发表于《自然·物理学》期刊。

这项研究团队的核心成员之一、LLNL科学家马里乌斯·米洛特（Marius Millot）介绍道："我们能够将微小的钻石样本进行冲击压缩，使其达到比太阳表面更高的温度，以及超过海王星、天王星中心的压力——并且仍能测量出其原子结构、温度、密度以及光学反射率。"

这项新测量结果，一举解决了该领域两个长期存在的争议，并使实验结果与基于量子力学的模拟计算高度吻合。

早在约二十年前，LLNL实验室科学家乔恩·埃格特（Jon Eggert）及其同事就开展了具有开创性意义的高压熔化实验，发现钻石在熔化过程中密度反而会增加。

"这种现象在大多数材料中相当罕见，不过我们其实都熟悉一个类似的例子，"米洛特解释说,"液态水比冰的密度更高，这正是冰块能够漂浮在水面上的原因。"

按照埃格特当年的发现，这也意味着钻石理论上会漂浮在高压液态碳之中，就像冰块漂浮在水杯里一样。

然而，这项颇具影响力的早期实验也留下了一个巨大的谜团——实验测得的熔化温度，与理论预测值之间竟存在约20%的差异。

"无论理论学者尝试何种手段——即便动用最先进的计算机模拟技术——都始终无法复现这些实验结果，"米洛特说道。

与此同时，桑迪亚国家实验室的另一批研究者，利用Z机器所产生的强磁场对钻石样本进行冲击压缩，检测到的信号显示钻石或许会在熔化之前先转变为另一种晶体结构，尽管模拟计算支持这一可能性，但其原子排列方式此前从未被直接测量证实。

为解决这两大难题,LLNL研究团队在罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的Omega激光设施上，开展了激光驱动的动态压缩实验。

实验过程中，激光首先使微小钻石样本的表层瞬间蒸发，进而产生一道强大的冲击波，将样本内部材料压缩至极端状态。

由于这种极端压力状态仅能维持约十亿分之一秒，研究人员需要在这极短的时间窗口内完成包括X射线衍射等多项精密测量,难度极高。

"这是首次利用X射线衍射技术，对冲击压缩状态下的钻石进行追踪测量，直至其完全熔化，"米洛特表示，"这类测量极为困难，因为碳原子体积小、质量轻，散射出的X射线信号非常微弱，我们需要捕捉的信号本身相当微小。"

得益于LLE团队研发并维护的先进诊断仪器，研究人员获得了全新的钻石熔化温度测量数据。

这一次，实验测量值几乎与模拟结果完美吻合，成功化解了持续困扰学界近二十年的理论矛盾。

"虽然发现我们最初的温度测量结果误差超过1000度令人沮丧，但新一代诊断技术带来的数据质量飞跃，同样令人振奋，"埃格特表示，"更重要的是，我们最初关于熔化机制的推断，如今已通过X射线衍射得到了直接证实。"

与此同时,这次实验也得出了与桑迪亚实验室此前推测不同的结论——在单次冲击作用下，碳元素始终保持钻石晶体结构，直至彻底熔化,并未检测到任何中间晶体相态。

"我们认为，这是因为样本在只经历单次冲击时，没有足够时间发生结构转变，因而始终'困在'钻石晶体结构之中，"米洛特解释道。

理论与实验结果的高度吻合，可能对核聚变实验产生直接影响。

在惯性约束核聚变过程中，强大的激光会产生冲击波，将微小的钻石胶囊向内压缩，进而带动内部封装的聚变燃料被压缩至发生核聚变反应所需的极端压力与温度条件。

在初次冲击过程中，钻石需要均匀、平滑地熔化为流体状态，一旦出现不均匀现象，便可能干扰聚变反应的正常进行。

正因如此，为确保钻石完全熔化，LLNL国家点火装置（NIF）的科学家们通常会选择相对强烈的初始冲击方式。

"我们的研究表明，其实可以采用略微缓和一些的初始冲击，同样能实现钻石胶囊在NIF内爆过程中的完全熔化，"米洛特说道，"这一点令人振奋，因为更缓和的冲击方式能让聚变燃料具备更强的可压缩性，从而在相同激光能量投入下，获得更高的最大能量产出。"

假设其他造成性能损耗的因素也能得到有效控制,预测结果显示，采用这种更缓和的冲击方式，有望将聚变能量增益提升至三倍之多。

这项新测量结果，同样为科学家理解海王星与天王星的内部结构提供了宝贵参考。

由于这些冰巨星的深层内部无法直接观测，行星科学家长期以来只能依靠实验数据与理论模型来推测其内部究竟发生着什么。

部分研究提出，碳元素可能在行星深处发生结晶，并以"钻石雨"的形式持续沉降，而此次实验所达到的压力条件，已经超过了冰巨星内部预期的压力水平，这意味着修正后的熔化数据，将有助于构建更贴近真实情况的行星形成与演化模型。

据悉，LLNL研究团队接下来计划利用国家点火装置的强大能力，进一步探索钻石在更为极端、且难以在其他场所复现的条件下的行为表现。

他们希望进一步弄清，钻石胶囊在核聚变内爆反应的后期阶段究竟会经历怎样的变化，以及在承受多重连续冲击波作用时，钻石晶体结构究竟能够维持稳定多长时间。

这项研究不仅化解了一场持续二十年的科学悬案，也再次证明，看似最普通的物理常数背后，往往隐藏着足以影响核聚变能源未来、乃至重塑人类对遥远行星内部世界认知的深层秘密。