ほとんどの物質では、固体を圧縮すると融解する温度は上昇する。しかしダイヤモンドでは、狭く極端な圧力領域においてその逆が起こる。ロチェスター大学のOMEGAレーザー施設での新しい実験は、大気圧のおよそ40万〜100万倍の間で、ダイヤモンドをより強く圧縮すると融点が実際に下がることを示した。ローレンス・リバモア国立研究所のチームが8月13日にNature Physics誌に発表したこの研究は、ダイヤモンドが融解する前に別の結晶へと変化するかどうかという長年の論争にも決着をつけた。すなわち、少なくとも実験がたどった経路では、その変化は起こらない。
ナノ秒のレーザーパルスは、合成マイクロクリスタルダイヤモンドの薄いウェハーに、600〜1,800ギガパスカル（最大1.8テラパスカル）の衝撃波を発生させた。12回の実験では定常衝撃波を用い、圧縮された結晶のX線回折スナップショットを撮影するのに十分な時間、圧力を一定に保った。残る7回では減衰衝撃波を用い、1回の照射で幅広い圧力にわたる物質の応答を観測した。3つの計測手法が連携した。衝撃速度と反射率を測定する干渉計、衝撃加熱された物質の温度を読み取る高速光学放射温度計、そして結晶構造そのものを調べるX線回折である。
衝撃波面での反射率は、衝撃速度が毎秒21キロメートル付近では1パーセント未満だったが、毎秒24.5キロメートルを超えると約40パーセントまで上昇した。これは、圧縮されたダイヤモンドが電気を通す流体になりつつあることを示す兆候である。衝撃温度は、単純な固体ではあり得ない振る舞いを示した。衝撃の強さとともに上昇し続ける代わりに、毎秒22キロメートル付近の約7,400 Kから毎秒24キロメートル付近の約7,200 Kへと緩やかに下降し、その後、急上昇に転じたのである。X線回折では、衝撃を受けた結晶からの信号が10分の1に減少し、毎秒24.2キロメートル付近でゼロに近づいた。言い換えれば、融解は約750ギガパスカルで始まり、約1,000ギガパスカル付近、温度約7,300 Kで完了した。
この直感に反する傾きには、密度に根ざした物理的な説明がある。およそ0.4〜1テラパスカルの間では、液体炭素は固体ダイヤモンドよりも密度が高くなると予測されている。液体中の原子は、ダイヤモンド構造の4本の結合よりも高い配位数で詰め込まれるためである。融解物が結晶よりも密度が高い場合、融解曲線は下方に傾く。圧力と融解温度の熱力学的関係であるクラペイロンの傾きが負に転じるのである。より強く圧縮すると、より密度の高い液体が有利になるため、固体を融解させるのに必要な熱エネルギーは少なくて済む。同じ論理で、ダイヤモンドの融解線が約0.4テラパスカル付近に極大を持ち、それを超えると傾きが反転することも説明できる。
X線データは、BC8相の謎にも取り組んでいる。BC8相は、密度汎関数理論によって約1テラパスカル以上で熱力学的に安定になると予測されている、炭素の体心立方配置である。2008年のフライヤープレート衝突の研究は、900ギガパスカル付近の圧縮率の変化を、衝撃経路に沿ってダイヤモンドがBC8へと変態した証拠と解釈していた。新しい回折パターンは、その解釈と矛盾する。圧縮された結晶から観測された唯一の回折線は、通常の立方晶ダイヤモンドの最強反射と一致し、速度測定の値との差が4パーセント以内の密度を与える。一方、その回折線をBC8として解釈すると、速度測定の値から約30パーセントずれた密度となり、著者らはこれを非現実的と呼んでいる。BC8由来の追加の回折線は現れなかった。結論は明快だ。立方晶ダイヤモンドは融点に至るまでその構造を保ち続ける。理論上は不安定であるはずの構造である。ダイヤモンドの強い共有結合が、原子の再配列に対する巨大な運動学的障壁を生み出すからである。この結果は、2テラパスカルでダイヤモンドが無傷であることを見いだした2021年のランプ圧縮実験や、衝撃圧縮の機械学習シミュレーションと整合する。
論文には修正も含まれている。同じリバモアのグループによる、2010年の先駆的な減衰衝撃波を用いたダイヤモンド融解温度の測定は、新しいデータより1,000ケルビン以上高い値だった。著者らはその差を実験設計に帰している。新しいキャンペーンでは、放射温度計を石英の基準板に対して較正し、改良されたカメラと光学系を用いている。新しい温度はまた、実験と量子シミュレーションを隔てていたおよそ1,500 Kの不一致を解消し、モデリングのコミュニティが欠いていた原子スケールのベンチマークを提供した。ただし、1つの矛盾は未解決のまま残っている。ダイヤモンドアンビルセルにおけるミリ秒レーザー加熱は、50ギガパスカルで約3,000 Kまで下がる、はるかに急峻な負の融解勾配を示唆しており、理論とも衝撃実験とも鋭く対立している。この対立は解決されていない。
この結果は、まったく異なる2つの世界で重要である。1つ目は核融合エネルギーだ。国立点火施設の点火実験で使われるカプセルは、重水素とトリチウムの燃料を充填したダイヤモンド殻であり、爆縮はダイヤモンド殻を圧縮する3回の連続衝撃波によって開始される。融解挙動が不確かだったため、設計者らは最初の衝撃波を保守的に1.2テラパスカル以上に設定し、固体と液体の混合状態を回避していた。これは圧縮を制限する選択である。相境界が明らかになった今、より穏やかな最初の衝撃波でもカプセルを均一な液体状態に導きつつ、エントロピーを低く、圧縮率を高く保つことができ、現在の設計と比べて核融合エネルギー出力を最大3倍にできる可能性があると著者らは主張する。2つ目は惑星だ。ダイヤモンドがどこで融解し、どこで生き残るかを知ることは、炭素に富む系外惑星や巨大惑星の氷層のモデリングを制約する。そこでは、ダイヤモンドが深部で形成され、蓄積する可能性がある。
注意点もまた結果の一部である。実験は単一の衝撃経路に沿ったナノ秒の時間スケールを調べたものであり、今回の知見は、二重衝撃や融解線に近い状態まで加熱された圧縮など、他の経路によるBC8の形成を排除するものではない。それはまさに、リバモアとサウスフロリダ大学のチームが現在試みていることである。この研究が確立したことは、より狭い範囲に限られるが、確固としたものだ。1テラパスカル、衝撃下では、ダイヤモンドはダイヤモンドのままであり、約7,300ケルビンで融解する。その温度は、圧縮が強まるほど低くなる。
雅子 訳
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).