Nobelpriset i fysik 2016 firade det rika beteendet hos tvådimensionella (2-D) material, som atomer, molekyler, eller elektroner som är begränsade att röra sig på en plan yta.

Jämfört med deras tredimensionella (3-D) motsvarigheter, sådana material uppvisar nya och exotiska egenskaper, vars belysning är i framkant av fysikforskning inom kondenserad materia.

Ett mycket intressant fall är beteendet hos 2-D-kristaller. Till skillnad från 3D-material, som alltid smälter till flytande tillstånd eller fas, "teori förutsäger att 2-D-kristaller smälter till en ny fas som kallas hexatisk.

Hexatisk fas

I karaktär, det hexatiska är mellanliggande mellan en kristallfas och en vätska, genom att dess ingående partiklar uppvisar en lång varierad orienteringsordning (som en kristall) men endast en kort varierad lägesordning (som en vätska).

Även för det enklaste 2-D-modellmaterialet, består av identiska hårddiskar, att hitta bekräftelse på att en tvådimensionell kristall smälter in i en hexatisk fas var ett av de längsta problemen i fysiken.

Efter många försök (som sträckte sig över fyra decennier) löstes det 2011 med användning av storskaliga datasimuleringar.

I ett samarbete mellan två GW4 -universitet, Dr John Russo från University of Bristols matematikskola och professor Nigel Wilding, från Institutionen för fysik vid University of Bath, har utnyttjat den kombinerade kraften hos de högpresterande datorerna vid båda universiteten för att visa att beteendet hos 2-D-kristaller blir ännu konstigare när blandningar av två typer av partiklar övervägs.

Deras resultat har publicerats idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Grundläggande fysik

Dr Russo sa:"För denna forskning övervägde vi det 2-D hårddisksystem som studerats tidigare, men med en twist:vi introducerade en andra diskart som bara är 70 procent så stor som de andra.

"Intressant nog fann vi att närvaron av denna andra typ av skivor får den hexatiska fasen att försvinna."

Professor Wilding tillade:"Detta sker vid förvånansvärt små koncentrationer av de små skivorna:att byta bara en procent av skivorna mot de mindre arterna är tillräckligt för att förlora det hexatiska.

"Vi fann att det hexatiska är ett så känsligt tillstånd av materia eftersom dess entropi bara är något större än vätskans.

"Att tillsätta små partiklar höjer vätskans entropi och detta i sin tur destabiliserar det hexatiska."

Forskarna säger att deras studie bidrar till den grundläggande förståelsen av materiens fascinerande fysik i två dimensioner, och öppnar dörrarna för design av nya material med konstiga och exotiska egenskaper.

"Försvinningen av den hexatiska fasen i en binär blandning av hårddiskar" av J. Russo, och N. Wilding publiceras i Fysiska granskningsbrev .