Pour la plupart des substances, comprimer un solide augmente la température à laquelle il fond. Pour le diamant, dans une fenêtre de pression étroite et extrême, c’est l’inverse qui se produit. De nouvelles expériences menées sur l’installation laser OMEGA de l’université de Rochester montrent qu’entre environ 400 000 et 1 million de fois la pression atmosphérique, écraser davantage le diamant abaisse en réalité sa température de fusion. Ces travaux, publiés le 13 août dans Nature Physics par une équipe du Lawrence Livermore National Laboratory, tranchent aussi un vieux débat sur la question de savoir si le diamant se transforme en un autre cristal avant de fondre : ce n’est pas le cas, du moins pas le long du trajet emprunté par les expériences.
Des impulsions laser d’une durée de quelques nanosecondes ont généré des ondes de choc comprises entre 600 et 1 800 gigapascals, jusqu’à 1,8 térapascal, à travers de fines plaquettes de diamant microcristallin de synthèse. Douze expériences ont utilisé des chocs stationnaires, maintenant la pression constante assez longtemps pour prendre un cliché de diffraction des rayons X du cristal comprimé, et sept ont utilisé des chocs décroissants pour observer la réponse du matériau sur une gamme de pressions en un seul tir. Trois diagnostics ont fonctionné de concert : un interféromètre mesurant la vitesse du choc et la réflectivité, un pyromètre optique rapide lisant la température du matériau chauffé par le choc, et la diffraction des rayons X sondant la structure cristalline elle-même.
La réflectivité au front de choc est passée de moins de 1 % près d’une vitesse de choc de 21 kilomètres par seconde à environ 40 % au-delà de 24,5 kilomètres par seconde, une signature du fait que le diamant comprimé devenait un fluide conducteur de l’électricité. La température de choc s’est comportée d’une manière impossible pour un solide simple : au lieu de monter régulièrement avec l’intensité du choc, elle a lentement dérivé vers le bas, d’environ 7 400 K près de 22 kilomètres par seconde à environ 7 200 K près de 24 kilomètres par seconde, avant de repartir brusquement à la hausse. La diffraction des rayons X a montré une chute d’un facteur dix du signal provenant du cristal choqué, tendant vers zéro près de 24,2 kilomètres par seconde. La fusion, autrement dit, a commencé vers 750 gigapascals et était complète vers 1 000 gigapascals, à des températures d’environ 7 300 K.
Cette pente contre-intuitive a une explication physique fondée sur la densité. Entre environ 0,4 et 1 térapascal, le carbone liquide est prédit plus dense que le diamant solide, car les atomes du liquide s’empilent avec une coordinence plus élevée que les quatre liaisons de la structure du diamant. Lorsque le liquide en fusion est plus dense que le cristal, la courbe de fusion s’incline vers le bas : la pente de Clapeyron, la relation thermodynamique entre la pression et la température de fusion, devient négative. Comprimer davantage favorise le liquide le plus dense, si bien que moins d’énergie thermique est nécessaire pour faire fondre le solide. La même logique explique pourquoi la ligne de fusion du diamant présente un maximum vers 0,4 térapascal, au-delà duquel la pente s’inverse.
Les données de rayons X s’attaquent aussi à l’énigme de la phase BC8, un arrangement cubique centré du carbone que la théorie de la fonctionnelle de la densité prédit thermodynamiquement stable au-dessus d’environ 1 térapascal. Une étude de 2008 portant sur des impacts de plaques projetées avait interprété des changements de compressibilité vers 900 gigapascals comme la preuve que le diamant se transformait en BC8 le long du trajet de choc. Les nouveaux diagrammes de diffraction contredisent cette lecture. La seule raie de diffraction observée sur le cristal comprimé correspond à la réflexion la plus intense du diamant cubique ordinaire, donnant des densités à moins de 4 % des mesures de vélocimétrie ; l’interpréter comme du BC8 donne au contraire des densités décalées d’environ 30 % par rapport aux valeurs de vélocimétrie, ce que les auteurs jugent irréaliste. Aucune raie supplémentaire du BC8 n’est apparue. La conclusion : le diamant cubique persiste jusqu’à son point de fusion, conservant une structure que la théorie dit instable, car les fortes liaisons covalentes du diamant dressent une barrière cinétique énorme contre la réorganisation. Ce résultat concorde avec les expériences de compression par rampe de 2021, qui avaient trouvé le diamant intact à 2 térapascals, ainsi qu’avec les simulations d’apprentissage automatique de la compression par choc.
L’article contient aussi une correction. La mesure pionnière de 2010 de la température de fusion du diamant par choc décroissant, issue elle aussi du groupe de Livermore, dépassait de plus de mille kelvins les nouvelles données. Les auteurs attribuent cet écart au protocole expérimental : la nouvelle campagne étalonne le pyromètre sur une plaque de référence en quartz et repose sur des caméras et des optiques améliorées. Les nouvelles températures comblent également un écart d’environ 1 500 K qui séparait l’expérience de la simulation quantique, fournissant les repères à l’échelle atomique qui manquaient à la communauté des modélisateurs. Une incohérence demeure toutefois ouverte : le chauffage laser à l’échelle de la milliseconde dans les cellules à enclumes de diamant a suggéré une pente de fusion négative bien plus raide, descendant jusqu’à environ 3 000 K à 50 gigapascals, en net conflit avec la théorie comme avec les expériences de choc. Cette tension n’est pas résolue.
Ces résultats comptent dans deux mondes très différents. Le premier est l’énergie de fusion. Les capsules utilisées dans les expériences d’allumage au National Ignition Facility sont des coquilles de diamant remplies de combustible deutérium-tritium, et l’implosion est déclenchée par trois chocs successifs qui compriment la coquille de diamant. Comme le comportement de fusion était incertain, les concepteurs ont fixé le premier choc de manière prudente au-dessus de 1,2 térapascal pour éviter les états mixtes solide-liquide, un choix qui limite la compression. La frontière de phase étant désormais cartographiée, soutiennent les auteurs, un premier choc plus doux peut encore amener la capsule à un état liquide uniforme tout en conservant une entropie plus basse et une compressibilité plus élevée, ce qui pourrait tripler la production d’énergie de fusion par rapport aux conceptions actuelles. Le second monde est planétaire : savoir où le diamant fond et survit contraint la façon dont sont modélisées les exoplanètes riches en carbone et les couches de glace des planètes géantes, où le diamant peut se former et s’accumuler dans les intérieurs profonds.
Les réserves font partie du résultat. Les expériences sondent des échelles de temps de l’ordre de la nanoseconde le long d’un trajet à choc unique, et les résultats n’excluent pas la formation de BC8 par d’autres voies, comme des chocs doubles ou une compression chauffée près de la ligne de fusion, ce que tente précisément une campagne conjointe de Livermore et de l’université de Floride du Sud. Ce que cette étude établit est plus étroit et solide : à 1 térapascal, sous choc, le diamant reste du diamant, et il fond autour de 7 300 kelvins, à une température qui baisse à mesure que la compression se resserre.
Traduit par Lydie
Sources:
- Millot, M., Coppari, F., Lazicki, A., Kim, Y.-J., Landen, O.L., Smalyuk, V.A., Celliers, P.M. & Eggert, J.H. “Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures.” Nature Physics, August 13, 2026. DOI: 10.1038/s41567-026-03413-1.
- Eggert, J.H. et al. “Melting temperature of diamond at ultrahigh pressure.” Nature Physics 6, 40-43 (2010). DOI: 10.1038/nphys1438.
- Lazicki, A. et al. “Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals.” Nature 589, 532-535 (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03140-4.
- LLNL NIF & Photon Science, “Beyond Diamond: Seeking An Elusive Phase of Carbon” (BC8 Discovery Science campaign).