De Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 vierde het rijke gedrag van tweedimensionale (2-D) materialen, zoals atomen, moleculen, of elektronen die beperkt zijn om op een plat oppervlak te bewegen.

In vergelijking met hun driedimensionale (3-D) tegenhangers, dergelijke materialen vertonen nieuwe en exotische eigenschappen, waarvan de opheldering zich op het snijvlak van fysica van de gecondenseerde materie bevindt.

Een zeer interessant geval is het gedrag van 2D-kristallen. In tegenstelling tot 3D-materialen, die altijd in een vloeibare toestand of `fase smelten, De theorie voorspelt dat 2D-kristallen smelten tot een nieuwe fase, de hexatic genaamd.

Hexatische fase

In karakter, de hexatic is intermediair tussen een kristalfase en een vloeistof, in die zin dat de samenstellende deeltjes een oriënterende orde op lange afstand vertonen (zoals een kristal) maar slechts een positionele orde op korte afstand (zoals een vloeistof).

Zelfs voor het eenvoudigste 2D-modelmateriaal, samengesteld uit identieke harde schijven, bevestiging vinden dat een tweedimensionaal kristal in een hexatische fase smelt, was een van de langst bestaande problemen in de natuurkunde.

Na talloze pogingen (verspreid over vier decennia) werd het in 2011 opgelost met behulp van grootschalige computersimulaties.

In een samenwerking tussen twee GW4-universiteiten, Dr John Russo van de School of Mathematics van de Universiteit van Bristol en professor Nigel Wilding, van het departement Natuurkunde aan de Universiteit van Bath, hebben de gecombineerde kracht van de krachtige computers in beide universiteiten aangewend om aan te tonen dat het gedrag van 2D-kristallen nog vreemder wordt wanneer mengsels van twee soorten deeltjes worden overwogen.

Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Fundamentele fysica

Dr. Russo zei:"Voor dit onderzoek hebben we het eerder bestudeerde 2D-hardeschijfsysteem overwogen, maar met een twist:we hebben een tweede soort schijf geïntroduceerd die slechts 70 procent zo groot is als de andere.

"Interessant is dat we ontdekten dat de aanwezigheid van dit tweede type schijf de hexatische fase doet verdwijnen."

Professor Wilding voegde toe:"Dit gebeurt bij verrassend kleine concentraties van de kleine schijven:het verwisselen van slechts één procent van de schijven voor de kleinere soorten is voldoende om de hexatic te verliezen.

"We ontdekten dat de hexatic zo'n delicate toestand van materie is omdat de entropie slechts iets groter is dan die van de vloeistof.

"Het toevoegen van kleine deeltjes verhoogt de entropie van de vloeistof en dit destabiliseert op zijn beurt de hexatic."

De onderzoekers zeggen dat hun studie bijdraagt ​​aan het fundamentele begrip van de fascinerende fysica van materie in twee dimensies, en opent de deuren naar het ontwerp van nieuwe materialen met vreemde en exotische eigenschappen.

"Verdwijning van de hexatische fase in een binair mengsel van harde schijven" door J. Russo, en N. Wilding is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .