通常の三次元材料では、氷は瞬時に水へと変わる。融点に達すると硬い構造が崩れ、物質は液体状態へと移行する。しかし、わずか一原子分の厚さしかない原子層結晶では、過程は異なる仕方で進む。すなわち、珍しい中間状態を経るのだ。
ウィーン大学の科学者たちは、実在の材料である一原子分の厚さのヨウ化銀結晶において、ヘキサティック相を初めて直接観察した。この相では、原子間の距離は液体のように無秩序になるが、原子間の角度は固体に特徴的な部分的秩序を保っている。このようなハイブリッド状態は1970年代にすでに予測されていたが、これまではビーズからなるモデル系でしか見ることができなかった。
壊れやすい結晶を保護するため、研究者たちはそれを二層のグラフェンの間に置き、いわば「サンドイッチ」を作り出した。次に、試料を透過型電子顕微鏡の中で1100 °Cを超える温度まで加熱し、融解の過程を原子分解能で記録した。ニューラルネットワークが、数千枚の画像上で何千もの個々の原子の動きを追跡するのに役立った。
ヘキサティック相は狭い温度窓の中に存在することが明らかになった。それはヨウ化銀の融点よりおよそ25 °C低いところにある。固体状態からヘキサティック相への転移は滑らかに起こるが、ヘキサティック相から液体への転移は、通常の材料におけるのと同じように急激に起こる。これは従来の理論的予想に反しており、二次元共有結合結晶における融解が考えられていたよりも複雑であることを示している。
この発見は、二次元材料における相転移についての理解を変え、制御された特性を持つ新しいナノ構造の創製への道を開く。極めて薄い層における融解時に原子がどのように振る舞うかを理解することは、フレキシブルエレクトロニクスから量子デバイスに至るまでの将来の技術にとって重要である。
この実験は、強く結合した実在の材料においてさえ、このとらえどころのない中間状態が存在しうることを確認した。今や物理学者たちは、その直接的な証拠と、それを研究するための手段を手にしている。
