Láseres de alta potencia producen carbono líquido por primera vez, avanzando en el diseño de abladores de fusión

Los investigadores han capturado las primeras instantáneas detalladas por difracción de rayos X del carbono líquido sometido a presiones cercanas al millón de atmósferas, revelando un fluido transitorio con enlaces tetraédricos en lugar de una sopa atómica densamente empaquetada. Las mediciones, realizadas disparando el láser DiPOLE 100-X sobre carbono vítreo y sondeando la materia en choque con pulsos de 18 keV del XFEL europeo, muestran unos cuatro vecinos más próximos por átomo -lejos de la docena esperada en los líquidos simples- y proporcionan un sólido punto de referencia para las simulaciones de dinámica molecular cuántica del carbono en condiciones extremas.

El equipo observó la transición del carbono amorfo al diamante a ~80 GPa, seguida de la fusión completa en el líquido a ~160 GPa. El análisis de Fourier de los datos de difracción indicó un número de coordinación de la primera cáscara de 3,78 ± 0,15 y un modesto salto de volumen del 7% en la fusión, valores coherentes con los cálculos recientes de primeros principios. Estos datos también permitieron una estimación experimental del calor latente de fusión (~130 kJ mol-1) y validaron la pendiente positiva de 11 K GPa-1 de la curva de fusión del carbono en este rango de presión.

Este conocimiento microscópico es importante para la fusión por confinamiento inercial (FCI). Los diseños de ignición actuales, incluido el del National Ignition Facility disparo récordse basan en un armazón de carbono de alta densidad (diamante) que rodea y comprime simétricamente un blanco de deuterio-tritio. Esa cáscara se lleva intencionadamente cerca de su punto de fusión durante el choque inicial; su respuesta -fuerza, opacidad, capacidad calorífica- sienta las bases para el resto de la implosión. Una imagen completa de la estructura y la ecuación de estado del carbono líquido, por tanto, alimenta directamente el futuro diseño del ablador de fusión y la modelización hidrodinámica predictiva.

El estudio también pone de relieve la diferencia de rendimiento entre los revestimientos de carbono cristalino y amorfo. Los conceptos emergentes de ICF exploran películas amorfas de menor densidad y ricas en hidrógeno para mitigar el precalentamiento y mejorar la simetría de la implosión. Los nuevos datos sobre el estado líquido ofrecen una vía para adaptar esas películas: igualar la porosidad, afinar la profundidad óptica y seleccionar composiciones que mantengan características de fusión favorables bajo carga de choque.

Más allá de la fabricación directa de objetivos, los resultados actúan como un conjunto de entrenamiento de alta calidad para los potenciales interatómicos de aprendizaje automático, que aceleran drásticamente las simulaciones de dinámica molecular del carbono sometido a choque, permitiéndole alcanzar tamaños de sistema más grandes y escalas de tiempo más largas de lo que sería práctico de otro modo.