Trong các vật liệu ba chiều thông thường, nước đá biến thành nước ngay lập tức: khi đạt đến điểm nóng chảy, cấu trúc cứng rắn bị phá vỡ và chất chuyển sang trạng thái lỏng. Trong các tinh thể mỏng cỡ nguyên tử, chỉ dày một nguyên tử, quá trình diễn ra khác — thông qua một trạng thái trung gian kỳ lạ.
Các nhà khoa học tại Đại học Wien lần đầu tiên quan sát trực tiếp pha hexatic trong một vật liệu thực — tinh thể bạc iodide dày một nguyên tử. Trong pha này, khoảng cách giữa các nguyên tử trở nên mất trật tự, giống như trong chất lỏng, nhưng góc giữa chúng vẫn giữ được trật tự một phần, đặc trưng của chất rắn. Trạng thái lai như vậy đã được dự đoán từ những năm 1970, nhưng cho đến nay người ta chỉ có thể thấy nó trong các hệ mô hình gồm các viên bi.
Để bảo vệ tinh thể mong manh, các nhà nghiên cứu đặt nó giữa hai lớp graphene, tạo nên một thứ «bánh sandwich» đặc biệt. Sau đó, mẫu được nung nóng trong kính hiển vi điện tử truyền qua đến nhiệt độ trên 1100 °C, ghi lại quá trình nóng chảy với độ phân giải nguyên tử. Các mạng nơ-ron đã giúp theo dõi chuyển động của hàng nghìn nguyên tử riêng lẻ trên hàng nghìn khung hình.
Hóa ra pha hexatic tồn tại trong một khoảng nhiệt độ hẹp — thấp hơn điểm nóng chảy của bạc iodide khoảng 25 °C. Quá trình chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái hexatic diễn ra êm ả, nhưng từ trạng thái hexatic sang trạng thái lỏng lại đột ngột, giống như trong các vật liệu thông thường. Điều này trái với những kỳ vọng lý thuyết trước đây và cho thấy rằng sự nóng chảy trong các tinh thể cộng hóa trị hai chiều phức tạp hơn so với suy nghĩ trước đây.
Phát hiện này thay đổi quan niệm về các chuyển pha trong vật liệu hai chiều và mở ra con đường tạo ra các cấu trúc nano mới với các tính chất có thể kiểm soát. Hiểu được cách các nguyên tử hành xử khi nóng chảy trong các lớp cực mỏng là điều quan trọng cho các công nghệ tương lai — từ điện tử dẻo đến các thiết bị lượng tử.
Thí nghiệm đã xác nhận: ngay cả trong các vật liệu thực có liên kết mạnh cũng có thể tồn tại trạng thái trung gian khó nắm bắt này. Giờ đây các nhà vật lý đã có bằng chứng trực tiếp và công cụ để nghiên cứu nó.
