一年級學生為科學專案種植晶體這一事實可能會讓你認為物理學家知道這些時髦的形狀是如何形成和解體的。 可惜的是，在物理教科書中，關於晶體熔化理論的部分仍然存在很大的空白。 “晶體結構熔化的原因非常微妙，”德國康斯坦茨大學的格奧爾格·馬雷特說，他因消除這部分無知而獲得了今年德國物理學會和法國物理學會頒發的 Gentner-Kastler 獎。
困難在於晶體可以自我穩定。 當一個原子被拉出原位時，它的鄰居會把它拉回原位。 即使原子劇烈抖動到足以掙脫束縛，它又能去哪裡呢？ 其他原子阻擋了它的逃生路線。 為了讓晶體變成液體，似乎需要一種群體智慧才能使原子同時同步移動。
為了弄清楚這一點，物理學家們嘗試了二維晶體的特殊情況。 這種東西在自然界中並不真正存在，儘管漂浮在水面上的油膜與之接近。 在 20 世紀 70 年代，理論家們意識到平面晶體本質上不如 3-D 晶體穩定。 由於每個原子的鄰居較少，因此將其固定到位的力也較弱。 而且當一個原子確實掙脫束縛時，只需要幾個其他原子讓開它的道路，而不是像 3-D 中那樣需要一長排原子。 由於這些以及其他幾何原因，物理學家們推斷，二維晶體應該分兩個不同的階段熔化，先經過一個六角相，在這個階段，六角形原子群像流體一樣自由流動，但仍然像晶體一樣保持相同的方向。
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馬雷特的團隊借鑑了一年級學生的實驗技術，構建了一種晶體的 Tinkertoy 模型，用微米大小的塑膠和氧化鐵混合製成的球體代表原子，並將它們懸浮在液體中。 雖然這些球比原子大，但仍然足夠小，行為方式很像原子。 它們隨機抖動，當置於磁場中時，會相互施加磁力。 調高磁場就像降低溫度：它使球體卡在一起形成晶格。 “馬雷特的工作是最清晰、最簡單的系統，您可以在其中真正研究如何從固態過渡到六角相，從六角相過渡到液態，”哈佛大學的理論家大衛·R·納爾遜說，他幫助開發了馬雷特現在已經證實的理論。
集體行為的相同原理應該有助於物理學家破解更難的 3-D 晶體難題。 就像生長晶體一樣，發展晶體理論也需要耐心。