Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont résolu une divergence vieille de vingt ans sur la fusion du diamant sous pression extrême. Publiée dans Nature Physics, la mesure de 7 300 kelvins pourrait tripler le gain des expériences de fusion nucléaire et affiner les modèles des planètes géantes de glace.
Une énigme vieille de vingt ans vient de tomber. Des physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont établi la température à laquelle le diamant fond sous une pression d’un térapascal, soit trois fois la pression qui règne au centre de la Terre. Publiés jeudi dans Nature Physics, les travaux comblent un écart persistant d’environ 20 % entre les mesures expérimentales et les prédictions théoriques. Ils dessinent par ailleurs des perspectives concrètes pour le rendement des expériences de fusion par confinement inertiel et pour la compréhension des planètes géantes de glace.
Une mesure enfin alignée sur la théorie
À l’installation Omega Laser de l’Université de Rochester, l’équipe a comprimé par choc laser de minuscules échantillons de diamant, portés à des températures dépassant la surface du Soleil. Les chercheurs ont mesuré simultanément la structure atomique, la température, la densité et la réflectivité optique, un suivi rare dans des conditions aussi extrêmes.
« Nous avons pu prendre de minuscules échantillons de diamant et les comprimer par choc à des températures plus élevées que la surface du soleil et à des pressions supérieures à celles au centre de Neptune et d’Uranus, et mesurer quand même la structure atomique, la température, la densité et la réflectivité optique », détaille Marius Millot, scientifique au LLNL et premier auteur de l’étude.
La température de fusion mesurée, voisine de 7 300 kelvins, s’accorde presque parfaitement avec les simulations fondées sur la mécanique quantique. Autre enseignement, soumis à un choc unique, le diamant conserve son arrangement cristallin jusqu’au moment de fondre, sans passer par des phases intermédiaires. L’observation contredit des résultats antérieurs obtenus sur la machine Z des laboratoires Sandia.
Un levier pour la fusion par confinement inertiel
Au National Ignition Facility (NIF) du LLNL, des lasers puissants compriment des capsules en diamant vers l’intérieur afin d’écraser le combustible de fusion. Faire fondre le diamant en un fluide homogène dès le choc initial limite les imperfections de l’implosion et améliore la régularité de la compression.
« Nos travaux indiquent que nous pourrions utiliser des chocs initiaux légèrement plus lents tout en obtenant une fusion complète du diamant dans nos implosions au NIF », poursuit Marius Millot. « Un choc plus lent rendrait le combustible de fusion plus compressible. Cela augmenterait à son tour le rendement énergétique maximal que nous pourrions obtenir avec la même énergie laser. »
Les prévisions évoquent un gain énergétique potentiellement triplé, à condition de maîtriser les autres mécanismes de dégradation. Le paramètre ouvre une piste d’optimisation sans augmenter la puissance des installations existantes.
Des planètes géantes mieux comprises
Les mesures intéressent aussi les planétologues qui modélisent l’intérieur de Neptune et d’Uranus. Le carbone y cristalliserait et tomberait sous forme de pluie de diamants, un phénomène difficile à observer directement. En sondant des pressions supérieures à la pression du cœur des planètes géantes, les expériences apportent des données de fusion plus solides pour les modèles de formation et d’évolution planétaires.
L’équipe prévoit de poursuivre les expériences au NIF afin d’étudier le comportement du diamant dans des conditions encore plus extrêmes que les conditions atteintes jusqu’à présent.
Article : « Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures » – DOI : 10.1038/s41567-026-03413-1
Source : Lawrence Livermore National Laboratory
