I laser ad alta potenza producono per la prima volta carbonio liquido, facendo progredire il design dell'ablatore a fusione

I ricercatori hanno catturato le prime istantanee dettagliate di diffrazione a raggi X del carbonio liquido a pressioni vicine a un milione di atmosfere, rivelando un fluido transitorio, con legami tetraedrici, piuttosto che una zuppa atomica densamente impacchettata. Le misurazioni, effettuate sparando il laser DiPOLE 100-X nel carbonio vetroso e sondando la materia sconvolta con impulsi da 18 keV dall'XFEL europeo, mostrano circa quattro vicini per atomo - lontani dalla dozzina che ci si aspetta nei liquidi semplici - e forniscono un solido punto di riferimento per le simulazioni di dinamica quantistico-molecolare del carbonio in condizioni estreme.

Il team ha osservato la transizione dal carbonio amorfo al diamante a ~80 GPa, seguita dalla fusione completa nel liquido a ~160 GPa. L'analisi di Fourier dei dati di diffrazione ha indicato un numero di coordinazione del primo guscio di 3,78 ± 0,15 e un modesto salto di volume del 7 percento al momento della fusione, valori coerenti con i recenti calcoli di primo principio. Questi dati hanno anche permesso una stima sperimentale del calore latente di fusione (~130 kJ mol-1) e hanno convalidato la pendenza positiva di 11 K GPa-1 della curva di fusione del carbonio in questo intervallo di pressione.

Questa visione microscopica è importante per la fusione a confinamento inerziale (ICF). Gli attuali progetti di accensione, tra cui quello della National Ignition Facility da recordsi basano su un guscio di carbonio ad alta densità (diamante) che circonda e comprime simmetricamente un bersaglio di deuterio e trizio. Questo involucro viene intenzionalmente portato vicino al suo punto di fusione durante l'urto iniziale; la sua risposta - forza, opacità, capacità termica - determina il resto dell'implosione. Un quadro completo della struttura e dell'equazione di stato del carbonio liquido, quindi, alimenta direttamente la progettazione dei futuri ablatori a fusione e la modellazione idrodinamica predittiva.

Lo studio evidenzia anche il divario di prestazioni tra i rivestimenti di carbonio cristallino e amorfo. I concetti emergenti di ICF esplorano film amorfi a bassa densità e ricchi di idrogeno per mitigare il preriscaldamento e migliorare la simmetria dell'implosione. I nuovi dati allo stato liquido offrono un percorso per personalizzare questi film: adattando la porosità, regolando la profondità ottica e selezionando composizioni che mantengono caratteristiche di fusione favorevoli sotto carico d'urto.

Oltre alla fabbricazione diretta del bersaglio, i risultati fungono da set di formazione di alta qualità per l'apprendimento automatico dei potenziali interatomici, che accelerano notevolmente le simulazioni di dinamica molecolare del carbonio sotto shock, consentendo di raggiungere dimensioni di sistema più grandi e tempi più lunghi di quanto sarebbe altrimenti pratico.