W typowych trójwymiarowych materiałach lód zamienia się w wodę natychmiast: po osiągnięciu temperatury topnienia sztywna struktura ulega zniszczeniu i substancja przechodzi w stan ciekły. W kryształach o grubości zaledwie jednego atomu proces przebiega inaczej — poprzez niezwykły stan pośredni.
Naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali fazę heksatyczną w rzeczywistym materiale — krysztale jodku srebra o grubości jednego atomu. W tej fazie odległości między atomami stają się nieuporządkowane, jak w cieczy, ale kąty między nimi zachowują częściowe uporządkowanie charakterystyczne dla ciała stałego. Taki hybrydowy stan przewidziano już w latach 1970, ale dotąd udawało się go zobaczyć jedynie w układach modelowych z kulek.
Aby ochronić kruchy kryształ, badacze umieścili go między dwiema warstwami grafenu, tworząc swoistą „kanapkę”. Następnie próbkę podgrzewano w transmisyjnym mikroskopie elektronowym do temperatury powyżej 1100 °C, rejestrując proces topnienia z rozdzielczością atomową. Sieci neuronowe pomogły prześledzić ruch tysięcy pojedynczych atomów na tysiącach klatek.
Okazało się, że faza heksatyczna istnieje w wąskim oknie temperaturowym — około 25 °C poniżej temperatury topnienia jodku srebra. Przejście od stanu stałego do heksatycznego przebiega łagodnie, natomiast od heksatycznego do ciekłego — gwałtownie, jak w zwykłych materiałach. Przeczy to wcześniejszym oczekiwaniom teoretycznym i pokazuje, że topnienie w dwuwymiarowych kryształach kowalencyjnych jest bardziej złożone, niż sądzono.
Odkrycie zmienia wyobrażenia o przejściach fazowych w materiałach dwuwymiarowych i otwiera drogę do tworzenia nowych nanostruktur o kontrolowanych właściwościach. Zrozumienie, jak zachowują się atomy podczas topnienia w warstwach o ekstremalnie małej grubości, jest ważne dla przyszłych technologii — od elektroniki elastycznej po urządzenia kwantowe.
Eksperyment potwierdził: nawet w silnie związanych rzeczywistych materiałach może istnieć ten nieuchwytny stan pośredni. Teraz fizycy mają bezpośredni dowód i narzędzie do jego badania.
