一年级学生为科学项目种植晶体这一事实可能会让你认为物理学家知道这些时髦的形状是如何形成和解体的。 可惜的是，在物理教科书中，关于晶体熔化理论的部分仍然存在很大的空白。 “晶体结构熔化的原因非常微妙，”德国康斯坦茨大学的格奥尔格·马雷特说，他因消除这部分无知而获得了今年德国物理学会和法国物理学会颁发的 Gentner-Kastler 奖。
困难在于晶体可以自我稳定。 当一个原子被拉出原位时，它的邻居会把它拉回原位。 即使原子剧烈抖动到足以挣脱束缚，它又能去哪里呢？ 其他原子阻挡了它的逃生路线。 为了让晶体变成液体，似乎需要一种群体智能才能使原子同时同步移动。
为了弄清楚这一点，物理学家们尝试了二维晶体的特殊情况。 这种东西在自然界中并不真正存在，尽管漂浮在水面上的油膜与之接近。 在 20 世纪 70 年代，理论家们意识到平面晶体本质上不如 3-D 晶体稳定。 由于每个原子的邻居较少，因此将其固定到位的力也较弱。 而且当一个原子确实挣脱束缚时，只需要几个其他原子让开它的道路，而不是像 3-D 中那样需要一长排原子。 由于这些以及其他几何原因，物理学家们推断，二维晶体应该分两个不同的阶段熔化，先经过一个六角相，在这个阶段，六角形原子群像流体一样自由流动，但仍然像晶体一样保持相同的方向。
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马雷特的团队借鉴了一年级学生的实验技术，构建了一种晶体的 Tinkertoy 模型，用微米大小的塑料和氧化铁混合制成的球体代表原子，并将它们悬浮在液体中。 虽然这些球比原子大，但仍然足够小，行为方式很像原子。 它们随机抖动，当置于磁场中时，会相互施加磁力。 调高磁场就像降低温度：它使球体卡在一起形成晶格。 “马雷特的工作是最清晰、最简单的系统，您可以在其中真正研究如何从固态过渡到六角相，从六角相过渡到液态，”哈佛大学的理论家大卫·R·纳尔逊说，他帮助开发了马雷特现在已经证实的理论。
集体行为的相同原理应该有助于物理学家破解更难的 3-D 晶体难题。 就像生长晶体一样，发展晶体理论也需要耐心。