对大多数物质而言，挤压固体都会提高它的熔化温度。但钻石在一个狭窄而极端的压力区间内恰恰相反。罗切斯特大学 OMEGA 激光装置上的新实验显示，在约为大气压 40 万至 100 万倍的区间内，把钻石压得更紧反而会降低其熔化温度。这项由劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队完成、8 月 13 日发表在《自然·物理》上的工作，还平息了一场持续已久的争论：钻石在熔化之前是否会转变为另一种晶体。答案是不会，至少在实验所走的路径上不会。
持续纳秒级的激光脉冲驱动出 600 至 1,800 吉帕（最高达 1.8 太帕）的冲击波，穿过合成微晶金刚石薄片。12 次实验采用稳定冲击，将压力保持足够长的时间，以对压缩后的晶体拍摄 X 射线衍射快照；7 次实验采用衰减冲击，在单次发射中观察材料在一系列压力下的响应。三种诊断手段协同工作：干涉仪测量冲击速度和反射率，高速光学高温计读取冲击加热材料的温度，X 射线衍射则探测晶体结构本身。
冲击波阵面的反射率从冲击速度约 21 公里每秒时的不足 1% 攀升至 24.5 公里每秒以上时的约 40%，这是压缩后的钻石正在变成导电液体的特征。冲击温度的表现对简单固体来说是不可能出现的：它没有随冲击强度稳步上升，而是缓慢下行，从约 22 公里每秒时的约 7,400 K 降至约 24 公里每秒时的约 7,200 K，随后急剧掉头向上。X 射线衍射显示，受冲击晶体的信号下降为原来的十分之一，并在约 24.2 公里每秒处趋近于零。换句话说，熔化在约 750 吉帕处开始，到约 1,000 吉帕处完成，此时的温度约为 7,300 K。
这种反直觉的斜率背后有基于密度的物理解释。在约 0.4 至 1 太帕之间，理论预测液态碳比固态钻石更致密，因为液体中原子的堆积配位数高于钻石结构中四个键的配位数。当熔体比晶体更致密时，熔化曲线就会向下倾斜：克拉佩龙斜率，即压力与熔化温度之间的热力学关系，变为负值。压得越狠越有利于更致密的液体，因此熔化固体所需的热能更少。同样的逻辑也解释了钻石的熔化线为何在约 0.4 太帕附近存在极大值，超过该值斜率即反转。
X 射线数据还回应了 BC8 相的谜题。BC8 是碳的一种体心立方排列，密度泛函理论预测它在约 1 太帕以上会变得热力学稳定。2008 年一项飞片撞击研究曾把约 900 吉帕附近的可压缩性变化解读为钻石沿冲击路径转变为 BC8 的证据。新的衍射图样与这一解读相矛盾。从压缩晶体中观测到的唯一衍射线与普通立方钻石的最强反射吻合，由此得到的密度与测速测量值相差在 4% 以内；而若把这条线当作 BC8 来解读，得到的密度则与测速值相差约 30%，作者称之为不现实。没有出现任何来自 BC8 的额外谱线。结论是：立方钻石一直保持到熔点，维持着理论认为本应不稳定的结构，原因是钻石的强共价键为原子重排筑起了巨大的动力学势垒。这一结果与 2021 年发现钻石在 2 太帕下依然完整的斜波压缩实验相符，也与冲击压缩的机器学习模拟相符。
论文中还包含一处更正。同样出自利弗莫尔团队的 2010 年开创性衰减冲击测量，得到的钻石熔化温度比新数据高出超过 1,000 K。作者把这一差距归因于实验设计：新一轮实验使用石英参考板校准高温计，并依靠升级后的相机和光学元件。新的温度数据还弥合了实验与量子模拟之间约 1,500 K 的分歧，提供了建模界一直缺失的原子尺度基准。仍有一处不一致悬而未决：金刚石压砧装置中的毫秒级激光加热实验曾提示一条陡得多的负熔化斜率，在 50 吉帕时低至约 3,000 K，与理论和冲击实验均尖锐冲突。这一矛盾尚未得到解决。
这项结果在两个截然不同的领域都很重要。第一个是聚变能源。美国国家点火装置点火实验中使用的靶丸是充满氘氚燃料的金刚石外壳，内爆由三道依次压缩金刚石外壳的冲击波启动。由于熔化行为此前不确定，设计者保守地把第一道冲击设定在 1.2 太帕以上，以避开固液混合状态，这一选择限制了压缩程度。作者认为，如今相边界已经绘出，更温和的第一道冲击仍能把靶丸驱动到均匀的液态，同时保持更低的熵和更高的可压缩性，聚变能量输出可能达到现有设计的三倍。第二个领域是行星科学：弄清钻石在哪里熔化、在哪里存续，约束着富碳系外行星和巨行星冰层的建模方式，在这些行星的深处，钻石可能形成并积聚。
这些限定条件本身就是结果的一部分。实验沿单次冲击路径探测的是纳秒时间尺度，研究结果并不排除 BC8 通过其他途径形成，例如双冲击，或在接近熔化线的温度下加热压缩，这正是利弗莫尔与南佛罗里达大学联合开展的一项研究目前正在尝试的。这项研究确立的结论更窄也更扎实：在 1 太帕的冲击条件下，钻石依然是钻石，并在约 7,300 K 熔化，而且压得越紧，熔化温度越低。
婷 翻译
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).