Forscher haben mithilfe lasergetriebener Stoßwellen winzige Diamanten extremen Drücken von bis zu 1,8 TPa ausgesetzt und festgestellt, dass die Kristallstruktur bis zum Schmelzpunkt erhalten bleibt. Die in Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse lösen einen langjährigen Widerspruch zwischen Experimenten und Computersimulationen und liefern neue Einblicke in das Innere von Eisriesen wie Uranus und Neptun.
Wissenschaftler haben winzige Diamanten extremen Drücken und Temperaturen ausgesetzt, die jenseits aller Bedingungen auf der Erdoberfläche liegen. In einer neuen Studie, veröffentlicht im Fachmagazin Nature Physics, komprimierten Forscher die Kohlenstoffproben mithilfe leistungsstarker Laserschocks auf Drücke von bis zu 1,8 Terapascal (TPa). Dabei zeigte sich, dass der Diamant in seiner vertrauten Struktur verbleibt, während er sich dem Schmelzpunkt nähert.
Laser erzeugen Drücke höher als im Zentrum von Uranus und Neptun
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Um diese extremen Bedingungen zu untersuchen, nutzten die Wissenschaftler die OMEGA Laser Facility an der University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics. Leistungsstarke Laserpulse erzeugten Stoßwellen, die durch die winzigen Diamantproben rasten. Die Drücke in den Experimenten reichten von rund 600 Gigapascal bis hin zu 1,8 TPa. Zum Vergleich: Ein Terapascal entspricht einer Billion Pascal.
Das Forschungsteam setzte verschiedene Messtechniken ein, um die Vorgänge im Inneren des Materials zu verfolgen. Sie maßen die Geschwindigkeit der Stoßwelle, die Temperatur sowie die optische Reflexionsfähigkeit und nutzten Röntgendiffraktion, um Veränderungen der Atomstruktur zu beobachten. Laut Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory, der die Studie leitete, sei es dem Team gelungen, winzige Diamantproben zu nehmen und sie durch Stoßwellen so zu komprimieren, dass Temperaturen entstünden, die heißer sind als die Oberfläche der Sonne, und Drücke, die das Zentrum von Neptun und Uranus übertreffen, während man dennoch die Atomstruktur, die Temperatur, die Dichte und das optische Reflexionsvermögen messen konnte.
Rätsel um das Schmelzen von Diamanten gelöst
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Die Experimente helfen dabei, einen langjährigen Streit über das Schmelzverhalten von Diamanten unter extremem Druck beizulegen. Frühere Experimente und theoretische Berechnungen hatten stark voneinander abweichende Schmelztemperaturen geliefert. Zudem gab es Unklarheiten darüber, ob Diamant vor dem Schmelzen in eine andere Kohlenstoffstruktur namens BC8 umwandeln könnte. Frühere Theorien sagten voraus, dass BC8 bei Drücken um 1 TPa zur stabileren Form werden könnte.
Die neue Studie fand jedoch während der kurzen Stoßwellen-Komprimierung keine nennenswerten Beweise für einen solchen Übergang. Der Grund dafür liegt nach Ansicht von Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory darin, dass die Probe keine Zeit habe, sich zu verändern, wenn sie nur einem einzigen Stoß ausgesetzt sei, weshalb sie in der Diamantstruktur „eingefangen“ bleibe.”
Die Messungen ergaben eine Schmelztemperatur des Diamanten von ungefähr 7.300 Kelvin nahe 1 TPa, wobei mit steigendem Druck in diesem Bereich ein leichter Abfall der Schmelztemperatur beobachtet wurde.
Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment schließt sich
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Lange Zeit standen Wissenschaftler vor einem ungelösten Rätsel, da frühere Experimente aus den Jahren 2007 und 2009 Schmelztemperaturen lieferten, die rund 20 Prozent über den Werten lagen, die durch quantenmechanische Berechnungen vorhergesagt worden waren. Selbst modernste Computersimulationen konnten die bisherigen experimentellen Daten nicht reproduzieren, wie Millot betonte.
Die aktuellen Messungen bringen die experimentellen Ergebnisse nun in eine viel größere Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, wonach es laut Jon Eggert vom Lawrence Livermore National Laboratory zwar frustrierend gewesen sei, festzustellen, dass ihre ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad abgewichen waren, es aber gleichzeitig aufregend sei, eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität mit den neuen Diagnoseverfahren zu sehen.
Die verbesserten Daten und die präziseren Diagnoseverfahren könnten neben der Erforschung von Kohlenstoff im tiefen Inneren von Eisriesen auch dazu beitragen, Modelle für die lasergetriebene Kernfusion zu verfeinern, bei der Diamanten in Kapseln um den Fusionsbrennstoff eingesetzt werden.
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