Para peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong bersama rekan-rekan dari Universitas Tokyo mengusulkan sebuah teori umum yang secara jelas memisahkan kapan dua keadaan materi tetap menjadi fase yang berbeda dan kapan keduanya bertransisi secara mulus satu ke yang lain. Karya ini menyelesaikan perdebatan bertahun-tahun tentang perilaku es air pada tekanan yang sangat tinggi dan sekaligus memberikan alat universal untuk mendeskripsikan sistem magnetik dengan nilai spin yang berbeda.
Kunci pemahamannya terletak pada simetri. Air cair dan uap, misalnya, memiliki simetri yang sama: molekul-molekulnya tidak memiliki arah yang istimewa. Karena itu, di luar titik kritis keduanya berubah menjadi satu sama lain tanpa batas yang tajam dan dianggap sebagai satu fase. Es, sebaliknya, membentuk kisi kristal yang melanggar simetri tersebut, sehingga selalu terpisah dari cairan oleh batas fase yang sesungguhnya.
Pada bentuk-bentuk es yang padat — VII, VIII, dan X — atom-atom oksigen membentuk struktur kerangka yang sama, sedangkan perbedaannya hanya menyangkut posisi atom-atom hidrogen. Dalam es VII hidrogen menempati posisi acak, dalam VIII tersusun teratur, dan dalam X berada tepat di tengah-tengah antara oksigen. Simetri rata-rata kristal pada VII dan X ternyata sama, dan untuk waktu yang lama tetap tidak jelas apakah keduanya merupakan fase yang terpisah atau manifestasi berbeda dari satu fase yang sama.
Para ilmuwan merumuskan ulang persoalan ini dalam bahasa magnetisme. Titik tengah ikatan antara atom-atom oksigen membentuk kisi piroklor — kisi yang sama yang menjadi dasar «es spin» yang terkenal. Tiga kemungkinan posisi hidrogen bersesuaian dengan tiga keadaan momen magnetik dengan spin 1. Dalam model yang disederhanakan tanpa memperhitungkan penataan VIII, es VII dan X dipisahkan oleh transisi tajam hanya pada nol absolut. Pada suhu berhingga apa pun, cacat termal berperilaku seperti monopol magnetik, menapis medan, dan mengubah batas yang tajam menjadi persilangan mulus. Dengan demikian, VII dan X termasuk dalam satu fase, sedangkan VIII tetap terpisah karena simetrinya yang terlanggar.
Artikel utama di Physical Review X menggeneralisasi hasil tersebut untuk nilai spin sembarang dalam model piroklor klasik es spin. Ternyata fase-fase dipisahkan oleh jaringan untaian cacat: selama untaian tertutup, keadaannya berbeda. Saat dipanaskan, monopol memutus untaian, dan perbedaannya hilang. Pengecualiannya adalah spin 3/2, yang transisi tajamnya antara dua keadaan magnetik mirip cairan tetap bertahan pada suhu berhingga dan berakhir pada titik kritis tanpa medan luar — sasaran yang menjanjikan untuk eksperimen mendatang.
Profesor Haruki Watanabe menegaskan: hasil-hasil ini menegaskan bahwa fase materi biasa diklasifikasikan semata-mata berdasarkan simetri yang terlanggar. Di mana pun simetri tidak membedakan keadaan, terdapat jalur kontinu tanpa batas fase. Kini para peneliti mencari fase topologis yang mungkin ada pada suhu berhingga di luar klasifikasi tersebut.
Teori baru ini tidak hanya menutup teka-teki lama tentang es, tetapi juga membuka jalan untuk memprediksi perilaku material magnetik yang kompleks, susunan nanomagnetik, dan sistem atom dingin.
