スーパーダイヤモンドのスーパーコンピュータシミュレーション、その誕生への道筋を示唆

March, 27, 2024, Livermore--ダイヤモンドは最強の素材として知られている。しかし、別の形態の炭素はダイヤモンドよりもさらに硬いと予測されている。課題は、それを地球上でどのように作るかである。

8原子の体心立方晶(BC8)は、ダイヤモンドではないが、非常によく似た炭素相である。BC8は、ダイヤモンドよりも30%高い圧縮耐性を示す、より強い材料であると予測されている。炭素に富む系外惑星の中心で発見されると考えられている。BC8が常温条件下で回収できれば、スーパーダイヤモンドに分類される可能性がある。

この炭素の結晶質高圧相は、理論的には1,000万気圧を超える圧力下で最も安定な炭素相であると予測されている。

「常温条件下での炭素のBC8相は、ダイヤモンドよりも強靭な新しい超硬質材料になる」と、南フロリダ大学(USF)の物理学教授、最近The Journal of Physical Chemistry Letters(論文の主任著者であるIvan Oleynikは話している。

「このとらえどころのない炭素結晶相を合成するための多くの努力にもかかわらず、以前の国立点火施設(NIF)キャンペーンを含め、まだ観察されていない。しかし、炭素に富む系外惑星にも存在する可能性があると考えている」と、研究にも関与したローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)の科学者Marius Millotは話している。

最近の天体物理学的観測は、炭素に富む太陽系外惑星の存在を示唆している。これらの天体は、かなりの質量を特徴とし、その深部で何百万もの大気に到達する巨大な圧力を受ける。

「その結果、炭素に富む系外惑星の極限状態は、ダイヤモンドやBC8などの炭素の構造形態を生み出す可能性がある。したがって、BC8炭素相の特性を深く理解することは、これらの系外惑星の正確な内部モデルの開発に不可欠になる」（Oleynik）。

BC8は、シリコンとゲルマニウムの両方の高圧相であり、周囲条件で回復可能であり、理論的には、BC8炭素も周囲条件でも安定であるはずであることが示唆されている。LLNLの科学者、論文の共著者Jon Eggertは、ダイヤモンドが硬い最も重要な理由は、ダイヤモンド構造の最も近い4つの原子の四面体形状が、周期表の14列目の元素(炭素から始まり、ケイ素とゲルマニウムに続く)の4つの価電子の最適配置と完全に一致しているからだと説明している。

「BC8構造は、この完全な四面体に最も近い形状を維持しているが、ダイヤモンド構造に見られる劈開面はない」とEggertは言い、「環境条件での炭素のBC8相は、ダイヤモンドよりもはるかに硬い可能性が高い」というOleynikに同意している。

研究チームは、世界最速のエクサスケール・スーパーコンピュータ「Frontier」で数百万回に及ぶ原子分子動力学シミュレーションを行い、ダイヤモンドの熱力学的安定性の範囲を大幅に超える超高圧下での極端なメタスタビリティを明らかにした。成功の鍵となったのは、広範囲の高圧・高温条件下で、個々の原子間の相互作用を前例のない量子精度で記述する、極めて正確な機械学習による原子間ポテンシャルの開発だった。

「このポテンシャルをGPU(グラフィックス・プロセッシング・ユニット)のFrontierに効率的に実装することで、実験時間および長さのスケールで、極限条件下での数十億個の炭素原子の時間発展を正確にシミュレーションできるようになった。われわれは、ダイヤモンド後のBC8相は、炭素相図の狭い高圧高温領域内でのみ実験的にアクセス可能になると予測した」（Oleynik）。

その意義は二重である。第一に、これまでの実験では、とらえどころのない炭素のBC8相を合成・観測できなかった理由を解明する。この制限は、BC8が非常に狭い範囲の圧力と温度でしか合成できないという事実に起因している。さらに、この研究は、BC8合成が達成可能になるこの高度に制限されたドメインにアクセスするための実行可能な圧縮経路を予測している。Oleynik、Eggert、Millotは、現在、NIF上のDiscovery Scienceのショット割り当てを用いて、これらの理論的経路を探るために共同研究を行っている。

研究チームは、いずれ実験室でBC8スーパーダイヤモンドを成長させることを夢見ており、その相を合成し、BC8種結晶を常温条件に戻すことができればよいと考えている。