اقترح باحثون من جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا بالتعاون مع زملاء من جامعة طوكيو نظرية عامة تفصل بوضوح بين الحالات التي تبقى فيها حالتان من حالات المادة طورين مختلفين، والحالات التي تتحول فيها إحداهما إلى الأخرى بسلاسة. وتحل هذه الأعمال جدلاً دام سنوات حول سلوك الجليد المائي تحت ضغط مرتفع للغاية، وتقدم في الوقت نفسه أداة شاملة لوصف الأنظمة المغناطيسية ذات قيم السبين المختلفة.
يكمن مفتاح الفهم في التناظر. فالماء السائل وبخار الماء، على سبيل المثال، يتمتعان بالتناظر نفسه: فالجزيئات لا تملك اتجاهاً مفضلاً. لذلك تتحول إحداهما إلى الأخرى بعد النقطة الحرجة دون حدود حادة، وتُعدّان طوراً واحداً. أما الجليد فيشكّل شبكة بلورية تكسر هذا التناظر، ولذلك يفصله دائماً عن السائل حدّ طوري حقيقي.
في حالة الأشكال الكثيفة من الجليد — VII وVIII وX — تشكّل ذرات الأكسجين البنية الهيكلية نفسها، ولا تتعلق الاختلافات إلا بترتيب ذرات الهيدروجين. ففي جليد VII تشغل ذرات الهيدروجين مواضع عشوائية، وفي VIII مواضع منتظمة، أما في X فتقع تماماً في منتصف المسافة بين ذرات الأكسجين. ويتبين أن التناظر المتوسط للبلورة في VII وX واحد، وظل الأمر غير واضح لفترة طويلة: هل هما طوران منفصلان أم مظهران مختلفان لطور واحد.
أعاد العلماء صياغة المسألة بلغة المغناطيسية. فمنتصفات الروابط بين ذرات الأكسجين تشكّل شبكة البيروكلور — تلك الشبكة نفسها التي بُنيت عليها «الجليديات السبينية» الشهيرة. وتقابل المواضع الثلاثة الممكنة للهيدروجين ثلاث حالات من العزم المغناطيسي بسبين 1. وفي نموذج مبسّط لا يأخذ في الحسبان انتظام VIII، يفصل بين جليدَي VII وX انتقال حاد عند الصفر المطلق فقط. أما عند أي درجة حرارة منتهية، فتتصرف العيوب الحرارية كأحادي أقطاب مغناطيسي، فتحجب المجال وتحوّل الحدّ الحاد إلى تحوّل تدريجي سلس. وهكذا ينتمي VII وX إلى طور واحد، بينما يبقى VIII طوراً منفصلاً بسبب التناظر المكسور.
تعمّم المقالة الرئيسية في Physical Review X النتيجة على قيم سبين اعتباطية في نماذج البيروكلور الكلاسيكية للجليد السبيني. وتبيّن أن شبكة من خيوط العيوب تفصل بين الأطوار: فما دامت الخيوط مغلقة، تبقى الحالات مختلفة. وعند التسخين تقطع أحادي الأقطاب الخيوط، فيزول الاختلاف. ويشكّل السبين 3/2 استثناءً، إذ يبقى الانتقال الحاد بين حالتين مغناطيسيتين شبيهتين بالسائل عند درجة حرارة منتهية، وينتهي بنقطة حرجة دون مجال خارجي — وهو هدف واعد للتجارب المستقبلية.
وأكد البروفيسور هاروكي واتانابي أن النتائج تؤكد أن أطوار المادة العادية تُصنَّف حصراً وفق التناظر المكسور. وفي كل مكان لا يميّز فيه التناظر بين الحالات، يوجد مسار متصل دون حدّ طوري. ويسعى الباحثون الآن إلى أطوار طوبولوجية قد توجد عند درجة حرارة منتهية خارج هذا التصنيف.
لا تحل النظرية الجديدة اللغز القديم للجليد فحسب، بل تفتح أيضاً الطريق للتنبؤ بسلوك مواد مغناطيسية معقدة ومصفوفات مغناطيسية نانوية وأنظمة الذرات الباردة.
