Мощные лазеры впервые производят жидкий углерод, продвигая разработку термоядерных аблаторов

Исследователи сделали первые детальные рентгеновские дифракционные снимки жидкого углерода под давлением около миллиона атмосфер, которые показывают переходную жидкость с тетраэдрическими связями, а не плотно упакованный атомный суп. Измерения, сделанные путем облучения стеклообразного углерода лазером DiPOLE 100-X и облучения ударной волны импульсами с энергией 18 кэВ с Европейского XFEL, показывают около четырех ближайших соседей на атом - далеко не дюжину, ожидаемую в простых жидкостях - и обеспечивают надежный ориентир для моделирования квантово-молекулярной динамики углерода в экстремальных условиях.

Команда наблюдала переход от аморфного углерода к алмазу при ~80 ГПа, за которым последовало полное плавление в жидкость при ~160 ГПа. Фурье-анализ дифракционных данных показал координационное число первой оболочки 3,78 ± 0,15 и скромный скачок объема на 7% при плавлении - значения, согласующиеся с недавними расчетами на основе первых принципов. Эти данные также позволили экспериментально оценить скрытую теплоту плавления (~130 кДж моль-1) и подтвердили положительный наклон кривой плавления углерода в этом диапазоне давлений, равный 11 К ГПа-1.

Такое микроскопическое понимание важно для инерционно-конфайнментного термоядерного синтеза (ICF). Существующие конструкции зажигания, в том числе и рекордный по мощности выстрел в Национальной установке зажигания рекордный выстрел, основаны на использовании углеродной (алмазной) оболочки высокой плотности, которая окружает и симметрично сжимает дейтерий-тритиевую мишень. Во время начального удара эту оболочку намеренно доводят до температуры плавления; ее реакция - прочность, непрозрачность, теплоемкость - создает основу для остальной части имплозии. Таким образом, полное представление о структуре и уравнении состояния жидкого углерода напрямую связано с будущим дизайном термоядерных аблаторов и прогнозируемым гидродинамическим моделированием.

Исследование также подчеркивает разрыв в производительности между покрытиями из кристаллического и аморфного углерода. В новых концепциях ICF рассматриваются аморфные пленки с более низкой плотностью и высоким содержанием водорода для уменьшения предварительного нагрева и улучшения симметрии имплозии. Новые данные о жидком состоянии предлагают путь к созданию таких пленок: согласование пористости, настройка оптической глубины и выбор составов, которые сохраняют благоприятные характеристики расплава при ударной нагрузке.

Помимо непосредственного изготовления мишеней, полученные результаты служат высококачественным обучающим набором для машинного обучения межатомным потенциалам, что значительно ускоряет моделирование молекулярной динамики углерода при ударных нагрузках, позволяя достичь больших размеров систем и более длительных временных масштабов, чем это было бы возможно в других случаях.