Bild wikipedia Neptunus sedd från Voyager 2. En av två isjätteplaneter i vårt solsystem den andra är Uranus.
"Vi kunde ta små diamantprover och chockkomprimera dem till temperaturer varmare än solens yta och till tryck högre än i centrum av Neptunus och Uranus och ändå mäta atomstruktur, temperatur, densitet och optisk reflektivitet," beskriver studieförfattaren och LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) forskaren Marius Millot i en ny studie (se nedan).
På LLNL har man studerat diamanters extrema beteende i årtionden. Labbforskaren Jon Eggert och kollegor var banbrytande inom högtryckssmältningsexperiment för cirka 20 år sedan och laborerade då öcer om diamanters densitet ökade vid smältning under mycket hög temperatur.
"Även om detta är ganska ovanligt bland de flesta material vi alla känner vi till ett sådant beteende," beskriver LLNL-forskaren Marius Millot. "Flytande vatten det är tätare än is, vilket får isbitar att flyta. Jons upptäckt innebär att diamant skulle kunna flyta i flytande kol vid högt tryck."
Även om det arbetet var en milstolpe inom området ledde det till fler frågor. En särskild förbryllade forskarsamhället. Frågan om det fanns ungefär 20 % skillnad mellan de observerade och förutsagda smälttemperaturerna för diamanter.
"Oavsett vad teoretikerna gjorde även med de mest avancerade datorsimuleringsteknikerna kunde man inte återupprepa experimenten," beskriver Millot.
Vid Sandia National Laboratories avslöjade användningen av dess Z-maskins extrema magnetfält genom att chockkomprimera små diamantprover ytterligare ett mysterium. Sandia-forskarna upptäckte att något fick diamanter att ta ett extra steg på vägen mot smältning genom att omvandlas från diamant till en annan kristallin struktur innan den slutligen blev en vätska. Datasimuleringar visade att det troligt var riktigt men ingen kunde direkt mäta atomstrukturen för att bekräfta det.
För att frågorna genomförde LLNL-teamet laserdrivna dynamiska kompressionsexperiment vid University of Rochesters laboratorium för laserenergiteknik (LLE). Med hjälp av Omega Laser Facility förångade forskarna det yttre lagret av en diamant vilket skickade en pressande chockvåg genom diamantens inre.
Att göra detaljerade, entydiga och precisa mätningar under kompression var och är en komplicerad process. De höga kompressionerna varade bara i en miljarddels sekund. Teamet tvingades därmed att samla in all avgörande information, inklusive röntgendiffraktionsdata som belyser atomstrukturen, under ovan korta tidsram.
"Detta var första gången som chockkomprimerad diamant undersöktes med röntgendiffraktion ända fram till smältning," beskriver Millot. "Dessa mätningar är extremt svåra eftersom kol är en liten och lätt atom. Den sprider väldigt få röntgenstrålar så signalen vi behövde mäta var ganska svag."
LLE-teamet spelade en avgörande roll i att utveckla och underhålla de förbättrade diagnostiska verktygen. Det ledde till en ny mätning av smälttemperatur som nästan helt stämde överens med datasimuleringarna och därmed stängde resultatet från 20 år tidigare (se ovan).
"Även om det var frustrerande att upptäcka att våra ursprungliga temperaturmätningar var mer än 1 000 grader fel är det spännande att se en så dramatisk förbättring av datakvaliteten med vår nya diagnostik," beskriver Eggert.
I kontrast till den nya överenskomna smälttemperaturen visade arbetet en annan historia än fasövergången som indikerats vid Sandia. Kolet låg kvar i en diamantstruktur hela vägen tills det smälte och hoppade över alla mellanliggande faser.
"Vi tror att det beror på att provet inte hinner förändras när det bara får en enda stöt. Den är fortfarande kvar i diamantstrukturen," beskriver Millot.
Den skillnaden kan vara avgörande för framtida experiment och simuleringar med hög energitäthet. Det antyder att materialets respons beror på exakt hur stöten appliceras och inte bara på tryck och temperatur.
Den nyfunna överensstämmelsen mellan teori och experiment har direkta konsekvenser för forskning inom fusionsenergi (omvända energin till den som används i kärnkraftverk)
I experiment med tröghetsinneslutning genererar kraftfulla lasrar chockvågor som driver en liten diamantkapsel inåt. Den resulterande implosionen komprimerar fusionsbränslet inuti kapseln till de extrema tryck och temperaturer som krävs för fusion.
Att smälta diamanten till en enhetlig slät vätska under den initiala stöten är avgörande för att minimera implosionsbrister, vilket kan orsaka att en fusionsreaktion försvinner. För att säkerställa att den första stöten smälter diamantkapseln använde forskarna vid National Ignition Facility (NIF) vid LLNL vanligtvis en relativt stark första stöt.
"Vårt arbete visar att vi kan använda något långsammare initiala stötar och ändå uppnå full smältning av diamanten i våra NIF-implosioner," beskriver Millot. "Det här är spännande eftersom en långsammare stöt skulle göra fusionsbränslet mer komprimerbart. Det ökar i sin tur det maximala energiutbytet vi kan uppnå med samma laserenergi."
Prognoser tyder på att dessa långsammare stötar kan tredubbla energiökningen förutsatt att andra nedbrytningsmekanismer kan kontrolleras.
Resultaten ger också planetforskare ett nytt fotfäste. Insidan av isjättar som Neptunus och Uranus är i princip otillgänglig så forskarna förlitar sig på laboratorieexperiment och datamodeller för att gissa vad som händer under ytan. Vissa studier antyder att isjättar kan kristallisera kol djupt inne i sitt inre, där det skulle falla och bilda "diamantregn." Eftersom experimenten undersökte diamanters beteende vid tryck som överstiger det inne i isjättar ger senaste smältdata en stark grund för mer realistiska förutsägelser om planetbildning och utveckling.
Studien är publicerad i Nature Physics och kan läsas där
Här dokumenterar forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hur diamant smälter under tryck tre gånger högre än förhållandena i jordens kärna.
Det löser två långvariga skillnader inom området och matchar slutligen experimentella resultat med simuleringar baserade på kvantmekanik. Att tillämpa resultaten på tröghetsinneslutningsfusion kan tredubbla energivinsten och den nya förståelsen av diamants högtrycksfaser kan omforma modeller av planetariska inre.
Övriga LLNL-författare som deltog i studien inkluderar Federica Coppari, Amy Lazicki, Yong-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk och Peter Celliers. LLNL:s target fabrication specialist Renee Posadas och Eric Folsom vid HED Science Center Technology Facility bidrog också till arbetet. Studien stöddes av LLNL:s program för laboratoriestyrd forskning och utveckling.


