Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, en collaboration avec des collègues de l'Université de Tokyo, ont proposé une théorie générale qui distingue clairement quand deux états de la matière restent des phases distinctes et quand ils se transforment progressivement l'un en l'autre. Ce travail résout un débat de longue date sur le comportement de la glace d'eau à très haute pression et fournit en même temps un outil universel pour décrire les systèmes magnétiques présentant différentes valeurs de spin.
La clé de la compréhension réside dans la symétrie. L'eau liquide et la vapeur, par exemple, possèdent la même symétrie : les molécules n'ont pas de direction privilégiée. C'est pourquoi, au-delà du point critique, elles se transforment l'une en l'autre sans frontière nette et sont considérées comme une seule phase. La glace, en revanche, forme un réseau cristallin qui brise cette symétrie, et elle est donc toujours séparée du liquide par une véritable frontière de phase.
Dans le cas des formes denses de la glace — VII, VIII et X —, les atomes d'oxygène forment une même structure en charpente, et les différences ne concernent que la disposition des atomes d'hydrogène. Dans la glace VII, les hydrogènes occupent des positions aléatoires, dans la VIII des positions ordonnées, et dans la X ils se trouvent exactement à mi-chemin entre les oxygènes. La symétrie moyenne du cristal s'avère identique pour VII et X, et pendant longtemps il est resté incertain s'il s'agissait de phases distinctes ou de manifestations différentes d'une même phase.
Les scientifiques ont reformulé le problème dans le langage du magnétisme. Les milieux des liaisons entre atomes d'oxygène forment un réseau pyrochlore — celui-là même sur lequel sont construits les célèbres « glaces de spin ». Les trois positions possibles de l'hydrogène correspondent à trois états du moment magnétique de spin 1. Dans un modèle simplifié ne tenant pas compte de l'ordre de la VIII, les glaces VII et X ne sont séparées par une transition abrupte qu'au zéro absolu. À toute température finie, les défauts thermiques se comportent comme des monopôles magnétiques, écrantent le champ et transforment la frontière nette en un crossover progressif. Ainsi, VII et X appartiennent à une même phase, tandis que VIII reste distincte en raison de sa symétrie brisée.
L'article principal publié dans Physical Review X généralise le résultat à des valeurs de spin arbitraires dans les modèles pyrochlores classiques de glace de spin. Il s'est avéré que les phases sont séparées par un réseau de filaments de défauts : tant que les filaments sont fermés, les états sont distincts. Lors du chauffage, les monopôles rompent les filaments et la distinction disparaît. L'exception est le spin 3/2, où la transition abrupte entre deux états magnétiques de type liquide se maintient à température finie et se termine par un point critique sans champ externe — une cible prometteuse pour de futures expériences.
Le professeur Haruki Watanabe a souligné que les résultats confirment que les phases de la matière ordinaire se classifient exclusivement par la symétrie brisée. Partout où la symétrie ne distingue pas les états, il existe un chemin continu sans frontière de phase. Les chercheurs recherchent désormais des phases topologiques qui pourraient exister à température finie en dehors de cette classification.
La nouvelle théorie ne se contente pas de résoudre l'ancienne énigme de la glace : elle ouvre aussi la voie à la prédiction du comportement de matériaux magnétiques complexes, de réseaux nanomagnétiques et de systèmes d'atomes froids.
