Une expérience américaine révèle le comportement de fusion du diamant sous haute pression, susceptible de faire progresser la recherche sur la fusion par confinement inertiel

Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore ont publié une nouvelle étude dans *Nature Physics*, documentant le processus de fusion du diamant sous une pression environ trois fois supérieure à celle régnant au cœur de la Terre. L'expérience montre que, dans des conditions de haute pression, le diamant flotte dans du carbone métallique liquide, à l'instar d'un glaçon flottant dans l'eau. Cette découverte contribue à améliorer les modèles expérimentaux de fusion par confinement inertiel et fournit également une nouvelle base pour comprendre le phénomène potentiel de « pluie de diamants » à l'intérieur des planètes géantes glacées telles que Neptune et Uranus.

La dernière expérience de fusion confirme que, sous haute pression, le diamant flotte dans du carbone métallique liquide, comme un glaçon flottant dans un verre d'eau. (Image conceptuelle : James Wickboldt/LLNL)

L'équipe de recherche a indiqué avoir soumis de minuscules échantillons de diamant à une compression par choc, les portant à des températures supérieures à celles de la surface du Soleil et à des pressions supérieures à celles régnant au centre de Neptune et d'Uranus, tout en mesurant simultanément la structure atomique, la température, la densité et la réflectivité optique. Pendant longtemps, le point de fusion du diamant observé expérimentalement présentait un écart d'environ 20 % avec les simulations basées sur la mécanique quantique ; cette expérience a permis de faire coïncider les deux, comblant ainsi une divergence de données qui persistait depuis environ vingt ans.

Cette expérience a été réalisée sur le laser OMEGA du Laboratoire d'énergétique laser de l'Université de Rochester. Les scientifiques ont utilisé le laser pour vaporiser la couche externe de minuscules échantillons, générant une onde de choc intense qui traverse l'intérieur du diamant. Étant donné que l'état de haute pression ne dure que de l'ordre du milliardième de seconde, les chercheurs ont dû effectuer des diagnostics essentiels dans un laps de temps extrêmement court, notamment l'acquisition de données de diffraction des rayons X révélant la structure atomique.

Les chercheurs affirment que c'est la première fois que la technique de diffraction des rayons X est utilisée pour sonder le diamant comprimé par choc jusqu'à sa fusion. En raison de la petite taille et de la faible masse des atomes de carbone, le signal de rayons X diffusé est très faible, rendant la mesure particulièrement difficile. Les outils de diagnostic améliorés ont aidé l'équipe à redéterminer les données du point de fusion et à confirmer directement le phénomène de fusion précédemment déduit.

L'étude a également révélé que, dans des conditions de compression par choc unique, le carbone conserve toujours sa structure diamant avant la fusion, sans passer par d'autres phases cristallines intermédiaires. L'équipe estime que cela pourrait être dû au fait que l'échantillon n'a pas eu suffisamment de temps pour subir une transition structurelle au cours d'un seul processus de choc, restant ainsi « piégé » dans la structure du diamant. Ce résultat indique que la réponse des matériaux dans des conditions extrêmes ne dépend pas uniquement de la pression et de la température, mais aussi étroitement du mode de chargement par choc.

Cette découverte a une valeur de référence directe pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel. Dans les expériences associées, de puissants lasers génèrent des ondes de choc qui font imploser vers l'intérieur de minuscules capsules de diamant, comprimant le combustible de fusion qu'elles contiennent jusqu'aux conditions de température et de pression élevées requises pour la fusion. Les chercheurs indiquent que si le premier choc peut faire fondre complètement la cible de diamant en un fluide plus uniforme et plus lisse, cela pourrait réduire les défauts d'implosion et améliorer la stabilité de l'expérience.

Selon ces résultats, même avec une vitesse de choc initiale légèrement inférieure, les expériences d'implosion du National Ignition Facility pourraient encore parvenir à une fusion complète du diamant. Un choc plus lent contribue à améliorer la compressibilité du combustible de fusion, augmentant ainsi la production d'énergie maximale pour une même énergie laser. L'étude prédit que, à condition que d'autres facteurs d'influence soient maîtrisés, ce type de choc plus lent pourrait permettre d'augmenter encore le gain d'énergie.

Outre la recherche sur la fusion, ces résultats peuvent également servir aux sciences planétaires. L'intérieur des planètes géantes glacées telles que Neptune et Uranus est difficile à sonder directement ; les scientifiques s'appuient généralement sur des expériences en conditions extrêmes en laboratoire et sur des modèles pour faire des déductions. Certaines études suggèrent que la cristallisation du carbone pourrait se produire dans les profondeurs des géantes glacées, formant une « pluie de diamants » qui sédimente vers l'intérieur. Les données sur la fusion du diamant à haute pression obtenues lors de cette expérience fourniront une base expérimentale plus fiable pour les modèles de formation et d'évolution de ces planètes.

L'équipe de recherche prévoit de continuer à utiliser le National Ignition Facility pour explorer le comportement du diamant dans des conditions encore plus extrêmes, en se concentrant sur la réponse des capsules de diamant aux étapes ultérieures de l'implosion, ainsi que sur les limites de stabilité de la structure du diamant sous l'effet d'ondes de choc multiples.