בחומרים תלת-ממדיים רגילים הקרח הופך למים באחת: עם ההגעה לנקודת ההיתוך נשברת המבנה הנוקשה והחומר עובר למצב נוזלי. בגבישים דקים באטומיות, בעובי של אטום אחד בלבד, התהליך מתרחש אחרת — דרך מצב ביניים בלתי שגרתי.
חוקרים מאוניברסיטת וינה צפו לראשונה ישירות בשלב ההקסגונלי בחומר ממשי — גביש של יודיד כסף בעובי של אטום אחד. בשלב זה המרחקים בין האטומים נעשים חסרי סדר, כמו בנוזל, אך הזוויות ביניהם שומרות על סדר חלקי האופייני למוצק. מצב היברידי כזה נחזה עוד בשנות ה-1970, אך עד כה ניתן היה לראותו רק במערכות מודל של כדורים.
כדי להגן על הגביש השביר, הניחו החוקרים אותו בין שתי שכבות של גרפן, ויצרו מעין "כריך". לאחר מכן חיממו את הדגימה במיקרוסקופ אלקטרונים חודר לטמפרטורה גבוהה מ-1100 °C, ותיעדו את תהליך ההיתוך ברזולוציה אטומית. רשתות נוירונים סייעו לעקוב אחר תנועתם של אלפי אטומים בודדים באלפי פריימים.
התברר שהשלב ההקסגונלי קיים בחלון טמפרטורה צר — ככל הנראה ב-25 °C מתחת לנקודת ההיתוך של יודיד הכסף. המעבר מהמצב המוצק להקסגונלי מתרחש בהדרגה, ואילו המעבר מההקסגונלי לנוזל — בחדות, כמו בחומרים רגילים. הדבר סותר את הציפיות התיאורטיות הקודמות ומראה שההיתוך בגבישים קוולנטיים דו-ממדיים מורכב יותר מכפי שסברו.
הגילוי משנה את התפיסות לגבי מעברי פאזה בחומרים דו-ממדיים וסולל את הדרך ליצירת ננו-מבנים חדשים עם תכונות מבוקרות. ההבנה כיצד מתנהגים אטומים בעת היתוך בשכבות דקות במיוחד חשובה לטכנולוגיות עתידיות — מאלקטרוניקה גמישה ועד התקנים קוונטיים.
הניסוי אישר: גם בחומרים ממשיים בעלי קשירה חזקה יכול להתקיים מצב ביניים חמקמק זה. כעת עומדת לרשות הפיזיקאים הוכחה ישירה וכלי לחקרו.
