אחרי שבעים שנה, חוקרים הצליחו לאשש את התיאוריה ש"מעברי פאזה מגנטיים" מתרחשים גם ביריעות דו-ממדיות ולהמחיש שוב שלפעמים התיאוריה מקדימה בהרבה את המציאות

לעתים פיזיקאים תיאורטיקנים חושבים על מודלים ותיאוריות לפני שאפשר לבדוק אותם בעולם האמיתי, בניסויים. כזה היה למשל המודל שקבע שחומר יכול להפוך מגנטי גם כשיש לו רק שני ממדים, במקום שלושה בעולם המוכר לנו. כעת, שבעים שנה אחרי שלארס אונסגר (Onsager) פיתח את התיאוריה, הוכיחו מדענים מדרום קוריאה שאכן תיתכן "פאזה מגנטית" ביריעות ברוחב של אטום יחיד – הדבר הכי קרוב שאפשר למשטח דו-ממדי.

כולנו ראינו אדי מים עולים מהקומקום, חזינו בקרח מפשיר ושמנו מים נוזליים במקפיא והוצאנו למחרת קוביות קרח. מצבי הצבירה השונים של המים נבדלים זה מזה בין השאר בצפיפות שבה יושבות המולקולות זו לצד זו. השוני בצפיפות בין המצבים הוא גדול, ולכן אנו מסווגים את "מצב החומר" לשלושת מצבי הצבירה האלה. למצב כזה של חומר אנו קוראים "פאזה". אפשר לסווג "מצבים של חומר" גם על פי תכונות אחרות, למשל על פי הסידור המגנטי של המולקולות.

דמיינו כל מולקולה כמגנט מלבני עם קוטב צפוני וקוטב דרומי. המגנט הזה קבוע במקומו אך יכול להסתובב סביב צירו. בטמפרטורה גבוהה מאוד כל מגנט "עצמאי" והקטבים שלו מצביעים לכיוון כלשהו בלי קשר למה שעושים המגנטים השכנים. מכיוון שכל מגנט מצביע לכיוון אקראי, החומר יהיה בסך הכול במצב "לא מגנטי". כאשר ננמיך את הטמפרטורה יתרחש מעבר פאזה וה"מגנטים" יסתדרו.

יש כמה צורות לסדר את המגנטים. שתי הנפוצות ביותר הן שכל המגנטים מצביעים לאותו הכיוון, או שהמגנטים מצביעים לסירוגין לכיוונים שונים. בשני המקרים המצב "מסודר", שכן מידע על כיוונו של מגנט אחד ייתן לנו מיד מידע על סידור המערכת כולה. שתי הפאזות האלה נקראות פרו-מגנטית ואנטי-פרו-מגנטית, על שם היסוד ברזל (Ferrum) שהיה החומר המגנטי הראשון שהתגלה, ואנטי-פרומגנטית מכיוון שבמצב הזה המגנטים אנטי-מקבילים.

במקרים רבים אפשר לפשט את המערכת המגנטית כך שלמגנטים המיקרוסקופיים המרכיבים אותה יהיו רק שתי אפשרויות סידור לאורך ציר אחד – "למעלה" או "למטה". ההפשטה הזו מאפשרת להקביל את המערכת למודל מתמטי-פיזיקלי שפיתח ארנסט איזינג כבר בשנת 1925. איזינג מצא שבממד אחד לא ייתכן מעבר פאזה מגנטי. כעשרים שנה לאחר מכן הוכיח כאמור אונסגר שבמערכת דו-ממדית דווקא יכול להתקבל מעבר פאזה.

כאן נשאלת השאלה מהי בכלל מערכת דו-ממדית בעולם האמיתי, התלת-ממדי? האם מדובר רק במודל תיאורטי שאין לו השלכות מעשיות? השאלה הזו נשארה ללא תשובה במשך קרוב לשבעים שנה, מכיוון שלא ידעו איך ליצור מערכות דו-ממדיות במעבדה. הגילוי של חומרים חד-שכבתיים כמו גרפן (מודל שלו בתמונה למעלה. מקור: Science Photo Library) אפשרו ליצור שכבות חומרים בעובי של אטום אחד.

ואכן, חוקרים מקוריאה בדקו בטמפרטורות שונות שכבות בעוביים שונים של החומר המגנטי FePS3 המורכב מברזל, זרחן וגופרית. הם מצאו שגם כאשר מודדים שכבה דקה במיוחד של החומר, בעובי של אטום אחד, עדיין מתקבל מעבר פאזה מגנטי בטמפרטורה של 118 מעלות קלווין (155 מעלות צלזיוס מתחת לאפס).

ההתקדמות הטכנולוגית שאפשרה את יצירת הדוגמה הדקה במיוחד לא הייתה קיימת לפני שבעים שנה כשאונסגר הגה את ההסבר שלו. אף שההסבר של אונסאגר היה מקובל ונחשב נכון, עכשיו יש גם תוצאות ניסוייות שמראות שאכן קיימת מערכת פיזיקלית שהמודל נכון עבורה.