La dureté éternelle a une limite : c'est ainsi qu'un diamant a fondu
Le diamant est le minéral naturel le plus dur de la planète, symbole d'éternité et vedette d'une industrie qui génère des milliards de dollars chaque année. Mais cette réputation d'invincibilité a ses limites. Une nouvelle étude publiée dans Nature Physics a permis d'observer pour la première fois avec un détail inédit le processus de fusion du diamant dans des conditions extrêmes, résolvant une énigme qui, depuis vingt ans, opposait les physiciens expérimentateurs aux simulations théoriques.
L'équipe menée par le physicien Marius Millot du Laboratoire National Lawrence Livermore (LLNL) a comprimé de minuscules échantillons de diamant par ondes de choc générées dans les installations laser OMEGA de l'Université de Rochester. Les pressions atteintes allaient de 600 gigapascals à 1,8 térapascal, soit plus de trois fois celles du noyau terrestre, à des températures supérieures à celles de la surface du Soleil.
Le mystère : un liquide plus lourd que le solide
L'origine de la controverse remonte aux expériences pionnières de Jon Eggert et ses collègues du LLNL, également dans les années 2000, qui avaient révélé un comportement particulier : sous pressions extrêmes, le carbone liquide résultant de la fusion du diamant est plus dense que le diamant solide lui-même, une analogie avec la glace qui flotte sur l'eau. Cette découverte fut un jalon, mais souleva plus de questions : les températures de fusion mesurées en laboratoire ne correspondaient pas aux prédictions des simulations quantiques les plus avancées, avec un écart d'environ 20 %.
De plus, un autre mystère surgit des simulations : la possible apparition d'une phase cristalline nommée BC8 avant la fusion du diamant. Ce matériau hypothétique serait encore plus dur que le diamant et aurait des implications pour la conception de matériaux super-durs. Jusqu'à présent, aucune observation directe de son existence dans ce processus n'avait été faite.
L'expérience : lasers et une milliardième de seconde
Pour résoudre les deux problèmes à la fois, l'équipe de Millot a utilisé des lasers pour vaporiser la couche externe des échantillons de diamant, générant ainsi des ondes de choc qui les comprimèrent jusqu'à la plage de pression mentionnée. Le défi fut de mesurer ce qui se passait en un intervalle de temps d'à peine une milliardième de seconde. Dans ce laps de temps, ils durent capturer des données de diffraction des rayons X, de densité, de température et de réflectivité optique.
La difficulté était immense, comme Millot l'expliqua à Science Alert : « le carbone est un atome petit et léger, qui diffuse très peu de signal de rayons X ». Malgré cela, la mesure fut un succès total : les nouvelles mesures situent la température de fusion autour de 7 300 kelvins (près de 7 000 degrés Celsius) à une pression proche d'un térapascal, plus de 1 000 degrés en dessous de l'estimation expérimentale précédente et, cette fois, en parfaite adéquation avec la théorie quantique.
Aucune phase BC8 : la surprise de l'atome « piégé »
Le second mystère a été résolu avec la même autorité : lors de la compression par une simple onde de choc, les expériences n'ont pas détecté de phase BC8 significative. Pendant que les rayons X continuaient à détecter du matériau cristallin, les atomes ont conservé la structure caractéristique du diamant. Millot explique : « l'échantillon n'a pas le temps suffisant pour se réorganiser et reste piégé dans la structure du diamant ». En d'autres termes, le processus de fusion est si rapide que cette structure intermédiaire n'a pas le temps de se former.
Cette découverte implique que la BC8 ne semble pas être une étape nécessaire dans la fusion du diamant, du moins dans les conditions étudiées, écartant une hypothèse qui planait sur la physique des hautes pressions depuis des années.
Pourquoi est-ce important ? Applications en fusion nucléaire et planétologie
Les implications dépassent largement le laboratoire et le diamant lui-même. Le premier champ d'application est l'énergie de fusion. À l'Installation nationale d'ignition du LLNL (NIF), on utilise de petites capsules de diamant pour contenir le combustible que les lasers compriment dans le but de déclencher la fusion nucléaire. Jusqu'à présent, les ingénieurs utilisaient une première onde de choc relativement intense pour garantir que le diamant fonde complètement.
Avec cette nouvelle courbe de fusion, on pourrait utiliser une première onde de choc plus lente sans empêcher la fusion complète du diamant, ce qui maintiendrait le combustible plus compressible et pourrait conduire à une implosion finale plus dense. Les calculs des chercheurs suggèrent que cet ajustement pourrait tripler le gain énergétique des expériences, à condition de maîtriser d'autres sources de pertes de performance.
D'autre part, ces données fournissent des références plus précises pour les modèles de l'intérieur des géants glacés Uranus et Neptune. Depuis les années 1980, on suppose qu'en profondeur, le carbone pourrait cristalliser en diamant et précipiter vers l'intérieur, un processus connu sous le nom de « pluie de diamants ». Bien que les expériences aient atteint des pressions supérieures à celles prévues à l'intérieur de ces planètes, les nouvelles données permettent d'affiner les simulations sur les conditions de stabilité ou de fusion du diamant.
Données clés de la découverte
- Publication : Nature Physics
- Institution : Laboratoire National Lawrence Livermore (LLNL)
- Pressions : de 600 GPa à 1,8 TPa
- Durée du événement : une milliardième de seconde
- Température de fusion mesurée : 7 300 K (1 000 K de moins que les estimations précédentes)
- Phase BC8 : non détectée dans l'expérience