У звичних тривимірних матеріалах лід перетворюється на воду миттєво: після досягнення точки плавлення жорстка структура руйнується, і речовина переходить у рідкий стан. В атомарно тонких кристалах, завтовшки лише в один атом, процес відбувається інакше — через незвичайний проміжний стан.
Вчені Віденського університету вперше безпосередньо спостерігали гексатичну фазу в реальному матеріалі — кристалі йодиду срібла завтовшки в один атом. У цій фазі відстані між атомами стають невпорядкованими, як у рідині, але кути між ними зберігають часткову впорядкованість, характерну для твердого тіла. Такий гібридний стан було передбачено ще в 1970-х роках, але досі його вдавалося побачити лише в модельних системах із кульок.
Щоб захистити крихкий кристал, дослідники помістили його між двома шарами графену, створивши своєрідний «сендвіч». Потім зразок нагрівали в просвічувальному електронному мікроскопі до температури вище 1100 °C, фіксуючи процес плавлення з атомарною роздільною здатністю. Нейронні мережі допомогли відстежити рух тисяч окремих атомів на тисячах кадрів.
Виявилося, що гексатична фаза існує у вузькому температурному вікні — приблизно на 25 °C нижче точки плавлення йодиду срібла. Перехід від твердого стану до гексатичного відбувається плавно, а ось від гексатичного до рідкого — різко, як у звичайних матеріалах. Це суперечить попереднім теоретичним очікуванням і показує, що плавлення в двовимірних ковалентних кристалах складніше, ніж вважалося.
Відкриття змінює уявлення про фазові переходи в двовимірних матеріалах і відкриває шлях до створення нових наноструктур із контрольованими властивостями. Розуміння того, як поводяться атоми під час плавлення в гранично тонких шарах, важливе для майбутніх технологій — від гнучкої електроніки до квантових пристроїв.
Експеримент підтвердив: навіть у сильно зв'язаних реальних матеріалах може існувати цей невловимий проміжний стан. Тепер у фізиків є прямий доказ і інструмент для його вивчення.
