חוקרים מהאוניברסיטה למדע וטכנולוגיה של הונג קונג, יחד עם עמיתים מאוניברסיטת טוקיו, הציעו תיאוריה כללית שמבחינה בבירור מתי שני מצבי צבירה נשארים פאזות שונות ומתי הם עוברים זה לזה ברציפות. העבודה מכריעה מחלוקת רבת שנים על התנהגות קרח המים בלחץ גבוה במיוחד, ובמקביל מספקת כלי אוניברסלי לתיאור מערכות מגנטיות עם ערכי ספין שונים.
המפתח להבנה טמון בסימטריה. למים נוזליים ולאדים, למשל, יש סימטריה זהה: למולקולות אין כיוון מועדף. לכן, מעבר לנקודה הקריטית הם הופכים זה לזה בלי גבול חד ונחשבים לפאזה אחת. הקרח, לעומת זאת, יוצר סריג גבישי שמפר את הסימטריה הזו, ולכן הוא תמיד מופרד מהנוזל בגבול פאזה אמיתי.
במקרה של צורות קרח צפופות — VII, VIII ו-X — אטומי החמצן יוצרים אותה מבנה שלד, וההבדלים נוגעים רק למיקום אטומי המימן. בקרח VII תופסים המימנים עמדות אקראיות, ב-VIII — עמדות מסודרות, וב-X — הם נמצאים בדיוק באמצע בין החמצנים. הסימטריה הממוצעת של הגביש ב-VII וב-X מתבררת כזהה, ובמשך זמן רב נותר לא ברור אם מדובר בפאזות נפרדות או בביטויים שונים של פאזה אחת.
המדענים ניסחו מחדש את הבעיה בשפת המגנטיות. נקודות האמצע של הקשרים בין אטומי החמצן יוצרות סריג פירוכלור — אותו סריג בדיוק שעליו בנויים "קרחי הספין" המפורסמים. שלוש העמדות האפשריות של המימן מתאימות לשלושה מצבים של מומנט מגנטי עם ספין 1. במודל מפושט, בלי להתחשב בסידור של VIII, קרח VII ו-X מופרדים במעבר חד רק באפס מוחלט. בכל טמפרטורה סופית מתנהגים הפגמים התרמיים כמונופולים מגנטיים, מסננים את השדה והופכים את הגבול החד למעבר הדרגתי. כך, VII ו-X שייכים לפאזה אחת, ואילו VIII נשאר נפרד בגלל הסימטריה המופרת.
המאמר המרכזי ב-Physical Review X מכליל את התוצאה לערכי ספין שרירותיים במודלים קלאסיים של קרח ספין פירוכלורי. התברר שפאזות מופרדות ברשת של חוטי פגמים: כל עוד החוטים סגורים, המצבים שונים. בעת חימום קורעים המונופולים את החוטים, וההבדל נעלם. יוצא מן הכלל הוא ספין 3/2, שבו מעבר חד בין שני מצבים מגנטיים דמויי נוזל נשמר בטמפרטורה סופית ומסתיים בנקודה קריטית בלי שדה חיצוני — מטרה מבטיחה לניסויים עתידיים.
הפרופסור הארוקי ואטנאבה הדגיש: התוצאות מאשרות שפאזות של חומר רגיל מסווגות אך ורק לפי סימטריה מופרת. בכל מקום שבו הסימטריה אינה מבחינה בין המצבים, קיים מסלול רציף בלי גבול פאזה. כעת מחפשים החוקרים פאזות טופולוגיות שיכולות להתקיים בטמפרטורה סופית מחוץ לסיווג הזה.
התיאוריה החדשה לא רק פותרת את החידה הישנה של הקרח, אלא גם סוללת דרך לניבוי התנהגותם של חומרים מגנטיים מורכבים, מערכים מגנטיים ננומטריים ומערכות של אטומים קרים.
