Nagy teljesítményű lézerrel először állítanak elő folyékony szenet, ami előrelépést jelent a fúziós ablatorok tervezésében

A kutatók elfogták az első részletes röntgendiffrakciós felvételeket a folyékony szénről egymillió atmoszféra közeli nyomáson, ami egy átmeneti, tetraéderes kötésű folyadékot mutat, nem pedig egy sűrűn csomagolt atomlevest. A mérések, amelyeket a DiPOLE 100-X lézerrel üvegszerű szénbe lőttek, és a sokkolt anyagot az európai XFEL 18 keV-os impulzusokkal vizsgálták, atomonként körülbelül négy legközelebbi szomszédot mutatnak - ami messze elmarad az egyszerű folyadékokban elvárt tucatnyi szomszédtól -, és szilárd viszonyítási alapot nyújtanak a szén extrém körülmények között végzett kvantum-molekuláris dinamikai szimulációihoz.

A kutatócsoport ~80 GPa-nál figyelte meg az amorf szénből gyémánttá való átmenetet, amelyet ~160 GPa-nál a folyadékká való teljes beolvadás követett. A diffrakciós adatok Fourier-elemzése 3,78 ± 0,15 első héj koordinációs számot és szerény 7 százalékos térfogatugrást jelzett az olvadáskor, ezek az értékek összhangban vannak a legújabb első elvi számításokkal. Ezek az adatok lehetővé tették a látens fúziós hő kísérleti becslését is (~130 kJ mol-1), és igazolták a szén olvadási görbéjének pozitív, 11 K GPa-1 meredekségét ebben a nyomástartományban.

Az ilyen mikroszkopikus betekintés fontos az inerciális kondenzációs fúzió (ICF) szempontjából. A jelenlegi gyújtási tervek, beleértve a Nemzeti Gyújtóberendezés rekordot jelentő lövésnagy sűrűségű szén (gyémánt) héjra épül, amely körülveszi és szimmetrikusan összenyomja a deutérium-trícium céltárgyat. Ezt a héjat a kezdeti lökés során szándékosan az olvadáspontja közelébe viszik; a válaszreakció - szilárdság, átlátszatlanság, hőkapacitás - meghatározza az imploszió további részét. A folyékony szén szerkezetéről és állapotegyenletéről alkotott teljes kép tehát közvetlenül felhasználható a jövőbeni fúziós ablatorok tervezésében és a hidrodinamikai modellezésben.

A tanulmány rávilágít a kristályos és amorf szénbevonatok közötti teljesítménybeli különbségre is. Az új ICF-koncepciók kisebb sűrűségű, hidrogénben gazdag amorf filmeket vizsgálnak az előmelegedés mérséklése és az implóziós szimmetria javítása érdekében. Az új folyékony állapotú adatok utat kínálnak e filmek testre szabásához: a porozitás összehangolásához, az optikai mélység hangolásához és olyan összetételek kiválasztásához, amelyek lökésszerű terhelés alatt is fenntartják a kedvező olvadási jellemzőket.

A közvetlen céltárgygyártáson túl az eredmények kiváló minőségű tanulóhalmazként szolgálnak a gépi tanulással előállított interatomi potenciálokhoz, amelyek drámaian felgyorsítják a szén molekuláris dinamikai szimulációit sokkhatás alatt - így nagyobb rendszerméreteket és hosszabb időskálákat érhetünk el, mint amilyenek egyébként kivitelezhetőek lennének.