Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, junto con colegas de la Universidad de Tokio, propusieron una teoría general que distingue con claridad cuándo dos estados de la materia siguen siendo fases distintas y cuándo transitan suavemente uno hacia el otro. El trabajo resuelve una disputa de larga data sobre el comportamiento del hielo de agua a presiones extremadamente altas y, al mismo tiempo, ofrece una herramienta universal para describir sistemas magnéticos con distintos valores de espín.
La clave para comprenderlo reside en la simetría. El agua líquida y el vapor, por ejemplo, poseen la misma simetría: las moléculas no tienen una dirección privilegiada. Por eso, más allá del punto crítico, se transforman una en otra sin una frontera nítida y se consideran una sola fase. El hielo, en cambio, forma una red cristalina que rompe esa simetría y, por ello, siempre está separado del líquido por una auténtica frontera de fase.
En el caso de las formas densas de hielo —VII, VIII y X—, los átomos de oxígeno forman una misma estructura de armazón, y las diferencias atañen únicamente a la disposición de los átomos de hidrógeno. En el hielo VII los hidrógenos ocupan posiciones aleatorias, en el VIII ordenadas, y en el X se hallan exactamente a medio camino entre los oxígenos. La simetría media del cristal resulta idéntica en el VII y el X, y durante mucho tiempo no quedó claro si eran fases separadas o manifestaciones distintas de una misma.
Los científicos reformularon el problema en el lenguaje del magnetismo. Los puntos medios de los enlaces entre los átomos de oxígeno forman una red pirocloro, la misma sobre la que se construyen los famosos «hielos de espín». Las tres posiciones posibles del hidrógeno corresponden a tres estados del momento magnético con espín 1. En el modelo simplificado, sin tener en cuenta el ordenamiento del VIII, a los hielos VII y X los separa una transición brusca solo en el cero absoluto. A cualquier temperatura finita, los defectos térmicos se comportan como monopolos magnéticos, apantallan el campo y convierten la frontera nítida en un cruce suave. Así pues, el VII y el X pertenecen a una misma fase, mientras que el VIII sigue siendo una fase aparte debido a la simetría rota.
El artículo principal en Physical Review X generaliza el resultado a valores arbitrarios de espín en los modelos pirocloro clásicos de hielo de espín. Resultó que las fases están separadas por una red de hilos de defectos: mientras los hilos permanecen cerrados, los estados son distintos. Al calentar, los monopolos rompen los hilos y la distinción desaparece. La excepción es el espín 3/2, donde la transición brusca entre dos estados magnéticos de tipo líquido se conserva a temperatura finita y termina en un punto crítico sin campo externo: un blanco prometedor para futuros experimentos.
El profesor Haruki Watanabe subrayó que los resultados confirman que las fases de la materia ordinaria se clasifican exclusivamente por la simetría rota. En todos los casos en que la simetría no distingue los estados, existe un camino continuo sin frontera de fase. Ahora los investigadores buscan fases topológicas que podrían existir a temperatura finita fuera de esta clasificación.
La nueva teoría no solo resuelve el viejo enigma del hielo, sino que también abre el camino para predecir el comportamiento de materiales magnéticos complejos, arreglos nanomagnéticos y sistemas de átomos fríos.
