海王星和天王星等行星內部發生了什么？為了找到答案，由Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf（HZDR）、羅斯托克大學和法國脡科爾理工學院進行了一項新的實驗。他們向簡單的PET塑料薄膜發射激光，并使用強激光閃光研究發生了什么。一個結果是，研究人員能夠證實他們先前的論點，即在太陽系外圍的冰巨星內部確實有鉆石雨。另一個是，這種方法可以建立一種生產納米金剛石的新方法，例如，高靈敏度量子傳感器需要納米金剛石。該小組在《科學進步》雜志上發表了研究結果。

海王星和天王星等冰巨星內部的條件非常極端：溫度達到數千攝氏度，壓力比地球大氣中的壓力大數百萬倍。盡管如此，這樣的狀態可以在實驗室中簡單模擬：強大的激光閃光擊中薄膜狀材料樣本，瞬間將其加熱到6000攝氏度，并產生沖擊波，將材料壓縮幾納秒至大氣壓力的一百萬倍。

HZDR的物理學家、羅斯托克大學教授多米尼克·克勞斯（Dominik Kraus）解釋說：“到目前為止，我們使用碳氫化合物薄膜進行這類實驗。”。“我們發現，這種極端的壓力產生了微小的鉆石，稱為納米鉆石。”

然而，使用這些膠片只能部分模擬行星內部鈥攂因為冰巨人不僅含有碳和氫，還含有大量的氧。在尋找合適的薄膜材料時，研究小組找到了一種日常物質：PET，一種用于制造普通塑料瓶的樹脂。克勞斯解釋說：“PET在碳、氫和氧之間有很好的平衡，可以模擬冰行星的活動。”。

該團隊在加利福尼亞州的SLAC國家加速器實驗室進行了實驗，該實驗室是直線加速器相干光源（LCLS）的所在地，這是一種強大的基于加速器的X射線激光器。他們用它來分析強激光照射PET薄膜時發生的情況，同時采用兩種測量方法：X射線衍射法來確定是否產生了納米鉆石，以及所謂的小角度散射法來觀察鉆石生長的速度和大小。

大幫手：氧氣

“氧的作用是加速碳和氫的分裂，從而促進納米金剛石的形成，”多米尼克·克勞斯在報告結果時說。“這意味著碳原子可以更容易地結合形成鉆石。”這進一步支持了這一假設，即它確實會在冰巨星內部形成鉆石。這些發現可能不僅與天王星和海王星有關，也與銀河系中無數其他行星有關。雖然這些冰巨星過去被認為是稀有物種，但現在看來，它們可能是太陽系外最常見的行星。

團隊還遇到了另一種暗示：結合鉆石，水應該被生產出來鈥攂ut是一種不尋常的變體。“可能形成了所謂的超離子水，”克勞斯說。“氧原子形成一個晶格，其中氫原子核自由移動。”

由于原子核是帶電的，超離子水可以傳導電流，從而有助于產生冰巨星的磁場。然而，在他們的實驗中，研究小組還無法明確證明在鉆石混合物中存在超離子水。計劃與羅斯托克大學（位于漢堡的歐洲XFEL）密切合作，這是世界上最強大的X射線激光器。在那里，HZDR領導著國際用戶聯盟HIBEF，為此類實驗提供了理想的條件。

納米金剛石精密加工設備

除了這一相當基礎的知識之外，新的實驗還為技術應用開辟了前景：定制生產納米尺寸的鉆石，這些鉆石已經包含在研磨劑和拋光劑中。在未來，它們被認為是高靈敏度量子傳感器、醫學造影劑和高效反應加速器，例如用于分解二氧化碳。“到目前為止，這類鉆石主要是通過引爆炸藥生產的，”克勞斯解釋說。“在激光閃光的幫助下，未來可以更清潔地制造它們。”

高性能激光每秒向PET薄膜發射十次閃光，該薄膜以十分之一秒的間隔被光束照射。由此產生的納米鉆石從薄膜中射出，落在裝滿水的收集槽中。在那里它們被減速，然后可以被過濾和有效地收獲。Dominik Kraus說，與炸藥生產相比，這種方法的本質優勢在于“納米鉆石可以根據尺寸定制切割，甚至可以摻雜其他原子。”。“X射線激光意味著我們有一個實驗室工具，可以精確控制鉆石的生長。”