Badacze z Uniwersytetu Wiedeńskiego dokonali właśnie przełomowej obserwacji, która rzuca nowe światło na fizykę ultracienkich materiałów. Po raz pierwszy udało im się bezpośrednio uchwycić egzotyczny stan materii, o którego istnieniu spekulowano od dziesięcioleci. Co ważne, odkrycie to poddaje w wątpliwość dotychczasowe teorie dotyczące topnienia w dwóch wymiarach.
Kiedy atomy zapominają odległości, ale pamiętają kąty
Faza heksatyczna to stan materii, który zdaje się łamać zasady znane z makroświata. W tym stanie odległości między atomami stają się nieregularne i chaotyczne, podobnie jak w cieczy. Jednocześnie jednak kąty, pod jakimi atomy są względem siebie ułożone, pozostają uporządkowane – charakterystycznie dla kryształu. Można to porównać do sytuacji, w której atomy ‘zapominają’, jak daleko od siebie powinny się znajdować, ale wciąż ‘pamiętają’ o właściwych orientacjach.
W materiałach trójwymiarowych, takich jak lód, przekroczenie temperatury topnienia powoduje natychmiastową zmianę stanu skupienia. W dwuwymiarowych układach, mających grubość pojedynczej warstwy atomowej, natura zdaje się eksperymentować z formami pośrednimi. Problem polegał na tym, że bezpośrednia obserwacja takiego zjawiska była dotąd poza zasięgiem technik badawczych – do teraz.
Jak udało się podejrzeć topnienie w skali atomowej
Zespół badaczy z Wiednia musiał zmierzyć się z nie lada wyzwaniem technicznym. Atomowo cienkie kryształy są niezwykle delikatne i podczas podgrzewania mają tendencję do niszczenia się – zwijają się lub rozpadają. Naukowcy znaleźli na to eleganckie rozwiązanie, tworząc rodzaj molekularnej kanapki. Umieścili pojedynczą warstwę jodku srebra między dwiema warstwami grafenu, które stworzyły ochronną strukturę. Taka konfiguracja stabilizowała badany kryształ, jednocześnie pozwalając mu swobodnie topnieć pod wpływem temperatury.
Następnie próbkę stopniowo podgrzewano do ponad 1100 stopni Celsjusza, korzystając ze specjalnego skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego wyposażonego w uchwyt grzewczy. Urządzenie rejestrowało proces topnienia w czasie rzeczywistym, śledząc pozycje poszczególnych atomów. To generowało ogromne ilości danych – w każdej klatce nagrania trzeba było śledzić tysiące atomów. Zadanie to przerastało możliwości tradycyjnej analizy.
Tu z pomocą przyszły narzędzia oparte na sztucznej inteligencji. Zespół wykorzystał sieci neuronowe do analizy położenia atomów i identyfikacji różnych faz materii. Bez uczenia maszynowego śledzenie wszystkich pojedynczych atomów byłoby praktycznie niemożliwe – analityk potrzebowałby miesięcy na przetworzenie danych, które sieć neuronowa ogarnia w ciągu godzin. Analiza wykazała, że faza heksatyczna pojawia się w wąskim przedziale temperaturowym, około 25 stopni Celsjusza poniżej punktu topnienia jodku srebra.
Teoria nie zgadza się z rzeczywistością
Wyniki eksperymentu przyniosły zaskoczenie, które zmusza naukowców do rewizji dotychczasowych modeli teoretycznych. Według wcześniejszych przewidywań, oba przejścia fazowe – ze stanu stałego do heksatycznego oraz z heksatycznego do ciekłego – powinny być ciągłe i stopniowe. Rzeczywistość okazała się bardziej złożona.
Przejście ze stanu stałego do fazy heksatycznej rzeczywiście miało charakter ciągły, zgodnie z oczekiwaniami. Atomy stopniowo traciły regularne odległości między sobą, zachowując jednak uporządkowanie kątowe. Jednak przejście z fazy heksatycznej do ciekłej okazało się nagłe, a nie stopniowe. To istotne odstępstwo od teorii, które wskazuje, że nasze rozumienie topnienia w dwóch wymiarach jest wciąż niepełne.
Odkrycie wiedeńskich naukowców stanowi kamień milowy w badaniu materii dwuwymiarowej. Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować fascynujący stan pośredni, którego istnienie postulowano od dawna. Jednocześnie wyniki pokazują, że nawet dobrze ugruntowane teorie mogą potrzebować korekt, gdy zderzą się z eksperymentalnymi danymi. Choć to dopiero początek drogi do pełnego zrozumienia zjawisk w skali atomowej, obserwacja fazy heksatycznej otwiera nowe możliwości badania i projektowania ultracienkich materiałów o unikalnych właściwościach.