Forscher der Hong Kong University of Science and Technology haben gemeinsam mit Kollegen der Universität Tokio eine allgemeine Theorie vorgeschlagen, die klar unterscheidet, wann zwei Zustände der Materie unterschiedliche Phasen bleiben und wann sie fließend ineinander übergehen. Die Arbeit löst einen jahrelangen Streit über das Verhalten von Wassereis bei extrem hohem Druck und liefert zugleich ein universelles Werkzeug zur Beschreibung magnetischer Systeme mit unterschiedlichen Spinwerten.
Der Schlüssel zum Verständnis liegt in der Symmetrie. Flüssiges Wasser und Dampf beispielsweise besitzen dieselbe Symmetrie: Die Moleküle haben keine ausgezeichnete Richtung. Daher gehen sie jenseits des kritischen Punktes ohne scharfe Grenze ineinander über und gelten als eine einzige Phase. Eis hingegen bildet ein Kristallgitter, das diese Symmetrie bricht, und ist deshalb stets durch eine echte Phasengrenze von der Flüssigkeit getrennt.
Bei den dichten Eisformen — VII, VIII und X — bilden die Sauerstoffatome ein und dieselbe Gerüststruktur, und die Unterschiede betreffen lediglich die Anordnung der Wasserstoffatome. In Eis VII nehmen die Wasserstoffe zufällige Positionen ein, in VIII geordnete, und in X befinden sie sich genau in der Mitte zwischen den Sauerstoffatomen. Die mittlere Symmetrie des Kristalls erweist sich bei VII und X als identisch, und lange blieb unklar, ob es sich um getrennte Phasen oder um verschiedene Erscheinungsformen ein und derselben handelt.
Die Wissenschaftler formulierten das Problem in der Sprache des Magnetismus neu. Die Mitten der Bindungen zwischen den Sauerstoffatomen bilden ein Pyrochlor-Gitter — genau jenes, auf dem die berühmten „Spineise“ aufgebaut sind. Die drei möglichen Positionen des Wasserstoffs entsprechen drei Zuständen des magnetischen Moments mit Spin 1. In einem vereinfachten Modell ohne Berücksichtigung der Ordnung von VIII trennt Eis VII und X nur am absoluten Nullpunkt ein scharfer Übergang. Bei jeder endlichen Temperatur verhalten sich die thermischen Defekte wie magnetische Monopole, schirmen das Feld ab und verwandeln die scharfe Grenze in einen fließenden Crossover. Somit gehören VII und X ein und derselben Phase an, während VIII wegen der gebrochenen Symmetrie eine eigene Phase bleibt.
Der Hauptartikel in Physical Review X verallgemeinert das Ergebnis auf beliebige Spinwerte in klassischen Pyrochlor-Modellen des Spineises. Es zeigte sich, dass die Phasen durch ein Netz von Defektfäden getrennt werden: Solange die Fäden geschlossen sind, sind die Zustände verschieden. Beim Erhitzen reißen die Monopole die Fäden auf, und der Unterschied verschwindet. Eine Ausnahme bildet der Spin 3/2, bei dem der scharfe Übergang zwischen zwei flüssigkeitsartigen magnetischen Zuständen bei endlicher Temperatur erhalten bleibt und in einem kritischen Punkt ohne äußeres Feld endet — ein vielversprechendes Ziel für künftige Experimente.
Professor Haruki Watanabe betonte: Die Ergebnisse bestätigen, dass die Phasen gewöhnlicher Materie ausschließlich anhand der gebrochenen Symmetrie klassifiziert werden. Überall dort, wo die Symmetrie die Zustände nicht unterscheidet, existiert ein kontinuierlicher Weg ohne Phasengrenze. Nun suchen die Forscher nach topologischen Phasen, die bei endlicher Temperatur jenseits dieser Klassifikation existieren könnten.
Die neue Theorie schließt nicht nur ein altes Rätsel des Eises, sondern eröffnet auch einen Weg zur Vorhersage des Verhaltens komplexer magnetischer Materialien, nanomagnetischer Arrays und Systeme kalter Atome.
