Ким заметила, что когда вода таяла, ее объем менялся.

"Это открыло мне, что там есть что-то, чего я не могу видеть своими глазами", - сказал Ким, профессор физики в Колледже искусств и наук. "Материя вокруг меня состоит из невидимых сущностей, которые взаимодействуют и делают что-то вместе, чтобы изменить свое состояние".

Увлечение Ким плавлением продолжается, но теперь она изучает переходы в более экзотических материалах, чем вода: электронных кристаллах. В новой статье Ким и первый автор Майкл Мэтти, M.S. '19, Ph.D. '22, описали фазу между жидкостью и твердым телом для этих электронных структур - жидкокристаллическое состояние.

Их статья "Плавление обобщенных кристаллов Вигнера в гетерослойных муаровых системах дихалькогенида переходного металла" опубликована 19 ноября в Природные коммуникации.

Поскольку все электроны заряжены отрицательно, они отталкиваются друг от друга; таким образом, их предпочтительное состояние - находиться как можно дальше от любого другого электрона в материале, который их содержит. Регулярное расположение электронов, возникающее в результате этого равного отталкивания во всех направлениях, называется кристаллом Вигнера.

Ким и Мэтти хотели знать, как электроны переходят из одного регулярного расположения в виде кристалла в другое регулярное расположение в виде кристалла, или как они "плавятся".

Чтобы найти ответ, исследователи изучили, как электроны взаимодействуют на искусственной сетке, называемой муаровой решеткой, образованной путем размещения двух различных атомарно тонких материалов друг на друге. Поскольку они находятся на сетке, а не на гладкой поверхности, электроны не могут выбирать произвольные местоположения вдали друг от друга, но должны заполнять точку на сетке; сетка ограничивает то, как они расположены.

"Когда сетка частично заполнена, мы можем увидеть влияние их отталкивания и то, насколько сильно электроны взаимодействуют друг с другом", - сказал Ким. "В результате их взаимодействия мы видим, что они занимают регулярный интервал участков на решетке, а не случайные интервалы".

Конкретная муаровая решетка, которую исследователи рассматривали для своего исследования, была разработана корнельскими экспериментаторами Кин Фай Маком, профессором физики (A & S) и адъюнкт-профессором физики в Cornell Engineering, и Цзе Шанем, профессором физики (A & S) и прикладной и инженерной физики (Engineering).

"Экспериментаторы из Корнелла находятся на переднем крае исследований материалов из искусственного муара, - сказал Ким, - проводя эти удивительные эксперименты с поразительной степенью контроля, предлагая возможности для воплощения теоретических идей в физических системах".

Шан и Мак экспериментально обнаружили особые жесткие структуры, которые электроны образовывали в частично заполненных сетках. Ким и Мэтти изучали, как одна из этих структур будет переходить в другую. Они обнаружили, что при изменении условий этот очень правильный, жесткий массив становится более подвижным.

Исследователи определили промежуточную фазу между твердым телом и жидкостью в электронах, которая обладает некоторой регулярностью, но не такой большой, как твердое тело, и не такой большой свободой, как жидкость. Они обнаружили, что электроны в этом состоянии выстраиваются в крошечные полоски, которые могут перемещаться и ориентироваться в структурах.

"Электронные жидкие кристаллы обсуждались теоретически, но мы предоставляем визуальное изображение того, как они могут формироваться микроскопически: четыре или пять электронов, образующих элемент, который можно расположить", - сказал Ким. "То, чего мы достигли, - это микроскопическое понимание того, что было известно только в принципе как возможное".

Работа была поддержана Национальным научным фондом.