In gewöhnlichen dreidimensionalen Materialien verwandelt sich Eis augenblicklich in Wasser: Beim Erreichen des Schmelzpunkts bricht die starre Struktur zusammen, und die Substanz geht in den flüssigen Zustand über. In atomar dünnen Kristallen von nur einem Atom Dicke verläuft der Prozess anders – über einen ungewöhnlichen Zwischenzustand.
Wissenschaftlern der Universität Wien ist es erstmals gelungen, die hexatische Phase in einem realen Material direkt zu beobachten – in einem einen Atom dicken Kristall aus Silberiodid. In dieser Phase werden die Abstände zwischen den Atomen ungeordnet wie in einer Flüssigkeit, doch die Winkel zwischen ihnen behalten eine teilweise Ordnung, die für einen Festkörper charakteristisch ist. Ein solcher hybrider Zustand wurde bereits in den 1970er Jahren vorhergesagt, doch bislang ließ er sich nur in Modellsystemen aus Kügelchen beobachten.
Um den zerbrechlichen Kristall zu schützen, betteten die Forscher ihn zwischen zwei Graphenschichten und schufen so eine Art „Sandwich“. Anschließend erhitzten sie die Probe in einem Durchstrahlungselektronenmikroskop auf eine Temperatur über 1100 °C und zeichneten den Schmelzprozess mit atomarer Auflösung auf. Neuronale Netze halfen dabei, die Bewegung von Tausenden einzelner Atome auf Tausenden von Bildern zu verfolgen.
Es zeigte sich, dass die hexatische Phase in einem engen Temperaturfenster existiert – etwa 25 °C unterhalb des Schmelzpunkts von Silberiodid. Der Übergang vom festen in den hexatischen Zustand verläuft allmählich, der vom hexatischen in den flüssigen Zustand jedoch abrupt, wie in gewöhnlichen Materialien. Das widerspricht früheren theoretischen Erwartungen und zeigt, dass das Schmelzen in zweidimensionalen kovalenten Kristallen komplexer ist als angenommen.
Die Entdeckung verändert die Vorstellungen von Phasenübergängen in zweidimensionalen Materialien und ebnet den Weg zur Entwicklung neuer Nanostrukturen mit kontrollierbaren Eigenschaften. Zu verstehen, wie sich Atome beim Schmelzen in extrem dünnen Schichten verhalten, ist wichtig für künftige Technologien – von flexibler Elektronik bis hin zu Quantenbauelementen.
Das Experiment bestätigte: Selbst in stark gebundenen realen Materialien kann dieser schwer fassbare Zwischenzustand existieren. Nun haben die Physiker einen direkten Beweis und ein Werkzeug zu seiner Untersuchung.
