1972, fysikerna J. Michael Kosterlitz och David Thouless publicerade en banbrytande teori om hur fasförändringar kan ske i tvådimensionella material. Experiment visade snart att teorin korrekt fångade processen med en heliumfilm som övergick från en supervätska till en normal vätska, hjälpa till att inleda en ny era av forskning om ultratunna material, för att inte tala om att tjäna Kosterlitz, professor vid Brown University, och Thouless andelar av 2016 års Nobelpris i fysik.

Men Kosterlitz-Thouless (K-T) teorin syftade till att förklara mer än den superfluidiga övergången. Paret hoppades också att det kunde förklara hur en tvådimensionell fast substans kunde smälta till en vätska, men experiment hittills har misslyckats med att tydligt validera teorin i det fallet. Nu, ny forskning av en annan grupp bruna fysiker kan hjälpa till att förklara obalansen mellan teori och experiment.

Forskningen, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , visar hur föroreningar - "extra" atomer i den kristallina strukturen av ett material - kan störa ordningen i ett system och få smältningen att börja innan K-T-teorin förutsäger att den borde göra det. Fynden är ett steg mot en mer komplett fysikalisk teori om smältning, säger forskarna.

"Fast-vätska-övergången är något vi alla är bekanta med, men det är ett djupt misslyckande i modern fysik som vi fortfarande inte förstår exakt hur det händer, " sa Xinsheng Ling, professor i fysik vid Brown och senior författare till den nya uppsatsen. "Vad vi visade är att föroreningar - som inte ingår i K-T-teorin men alltid finns i verkliga material - spelar en stor roll i smältprocessen."

Även om detaljerna förblir ett stort mysterium, forskare har en grundläggande förståelse för hur fasta ämnen smälter. När temperaturen ökar, atomer i det kristallina gittret i ett fast ämne börjar vicka runt. Om jigglingen blir för våldsam för att gallret ska hålla ihop, det fasta ämnet smälter till en vätska. Men exakt hur smältprocessen börjar och varför den börjar på vissa ställen i ett fast ämne istället för i andra är inte känt.

För denna nya studie, forskarna använde små polystyrenpartiklar suspenderade i starkt avjoniserat vatten. Elektriska krafter mellan de laddade partiklarna får dem att ordna sig i ett kristallliknande gitter som liknar hur atomer är ordnade i ett fast material. Använda en laserstråle för att flytta enskilda partiklar, forskarna kan se hur gallerdefekter påverkar gallrets ordning.

Defekter kan komma i två generella former – lediga tjänster, där partiklar saknas, och mellansidesannonser, där det finns fler partiklar än vad det borde vara. Denna nya studie tittade särskilt på effekten av mellansidesannonser, som inga tidigare studier hade undersökt.

Forskningen fann att även om en interstitial i en viss region gjorde liten skillnad i gallrets beteende, två mellansidesannonser gjorde stor skillnad.

"Vad vi fann var att två interstitiella defekter bryter strukturens symmetri på ett sätt som enskilda defekter inte gör, " sa Ling. "Den symmetribrytande leder till lokal smältning innan K-T förutsäger."

Det beror på att K-T-teorin handlar om defekter som uppstår från termiska fluktuationer, och inte defekter som redan kan ha funnits i gallret.

"Riktigt material är rörigt, " sa Ling. "Det finns alltid föroreningar. Enkelt uttryckt, systemet kan inte urskilja vilka som är föroreningar och vilka som är defekter som skapats av termisk agitation, vilket leder till smältning före vad som skulle förutsägas."

Tekniken som används för studien kan vara användbar någon annanstans, säger forskarna. Till exempel, det kan vara användbart för att studera övergången av hårt glas till en trögflytande vätska, ett fenomen relaterat till fast-vätska-övergången som också saknar en fullständig förklaring.

"Vi tror att vi av misstag har upptäckt ett nytt sätt att avslöja symmetribrytande mekanismer inom materialfysik, "Ling sa. "Själva metoden kan i slutändan vara det viktigaste med detta papper utöver resultaten."