Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
本研究は、テラパスカル級の圧力下における溶融炭素から形成された単結晶として、長年予測されてきたBC8炭素相を初めて結晶学的に直接同定したことを報告するものであり、ダイヤモンドを超えた炭素構造に関する数十年にわたる不確実性を解消するものである。
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天王星や海王星のような惑星の深部、そしておそらくは遠く離れたエキゾチックな世界の中心において、炭素は私たちの日常的な経験を拒絶するような条件下で存在しています。そこでの圧力はテラパスカル単位で測定されるほど極めて大きく、その単位は、海面における私たちの頭上に押し寄せる大気の重さよりも数百万倍も大きい力という、想像しがたい規模を表しています。このような押しつぶすような重圧の下では、鉛筆の中の柔らかいグラファイトや指輪の中の硬いダイヤモンドといった、私たちがよく知る馴染み深い形態の炭素は変化することが予想されます。数十年にわたり、科学者たちは強力なコンピュータを用いて、これらの極限の深部では、炭素がBC8と呼ばれるさらに高密度の新しい構造へと再配列されるはずだと予測してきました。この理論上の形態は、ダイヤモンドよりもさらに密に詰まっていると考えられていますが、40年間にわたる探索にもかかわらず、これを直接目にした者は一人もいませんでした。問いは残されたままでした。この隠された物質の相は実際に存在するのか、それとも単なる数学的な幽霊に過ぎないのか、と。
研究チームは今、BC8炭素の最初の直接的な結晶学的証拠を作り出すことで、その問いに答えました。これを見つけ出すために、彼らは自然が条件を提供してくれるのを待つのではなく、代わりに高出力レーザーを使用して実験室の中でそれらを再現しました。ダイヤモンドの単結晶に対して短く強烈な光のパルスを照射することで、材料内を伝わる衝撃波を発生させ、1.1から1.2テラパスカルの圧力で圧縮しました。このプロセスは10億分の1秒という極めて速い速度で行われましたが、ダイヤモンドを液体状態に溶かし、その後、衝撃波が弱まるにつれて炭素原子が冷却され、再び固体へと再形成されるには十分な速さでした。研究者たちは、同期したX線パルスを試料に照射することで、この束の間の瞬間を捉えました。これは高速カメラのフラッシュのように機能し、原子構造をその場に凍結させたのです。
得られた画像は、このような混沌とした事象から予想されるような、ぼやけた、あるいは引き延ばされたパターンではありませんでした。代わりに、X線は、カットされた宝石に光が当たったときに現れる鮮明な反射のように、鋭く明確なスポットを生み出しました。これらのスポットは結晶の署名であり、角度と距離を測定することで、科学者たちは炭素原子の正確な配置をマッピングすることができました。彼らが見つけたパターンは、予測されたBC8構造の幾何学形状と完璧に一致していました。これは、以前の実験では広範で不鮮明な信号に基づいて構造を推測することしかできなかったか、あるいは新しい相を全く観察できなかったため、重要な突破口となりました。本研究において、研究者たちは、炭素が確かにBC8の単一でコヒーレントな結晶へと変容したことを、ダイヤモンドのまま留まることも、無秩序な液体へと変わることもなく、証明することができたのです。
この実験はまた、この変容がどのように起こるかについて、極めて重要な事実を明らかにしました。単に圧力で炭素を押しつぶすだけでは、BC8の形状へと強制するには不十分であり、材料を加熱し、その後特定の方法で冷却しなければならないことが判明したのです。ダイヤモンドはまず溶けなければなりませんでした。それによって、原子が新しい、よりタイトな位置を見つけるための自由を得て、再び固定されることが可能になるからです。この発見は、なぜこれまでのBC8生成の試みが失敗してきたのかを説明しています。それらの実験では、炭素が全過程を通じて固体のまま維持され、ダイヤモンドの形態に閉じ込められていたためです。炭素を液体の状態へと導くことで、研究者たちは自然が惑星の内部で用いているであろう経路を解き明かしたのです。
新たに観察されたBC8炭素の密度は約7.19 g/cm³と測定され、これはこの高圧相の理論的予測に合致する値です。研究者たちは、結晶構造にわずかな歪みが認められると指摘しましたが、これは極限の熱と実験中の不均一な圧力によるものと考えられます。しかし、材料の核心的なアイデンティティは明白でした。この発見は、単に長年の理論を裏付けるだけではありません。炭素に富む惑星の組成を理解するための具体的なベンチマークを提供し、最も想像しうる極限条件下での物質の振る舞いに関する知識を向上させます。また、もし科学者がこの物質を捉えて保持する方法を学ぶことができれば、いつの日か、それがダイヤモンドよりも硬いのか、あるいはどのように電気を導くのかといった、その独特な特性を研究できる可能性があることを示唆しており、将来の研究への扉を開いています。今のところ、BC8相の炭素を探求する数十年にわたる探求は、コンピュータ・シミュレーションの世界から、実験室という現実の世界へと移行しました。
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