I ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong, insieme ai colleghi dell'Università di Tokyo, hanno proposto una teoria generale che distingue chiaramente quando due stati della materia restano fasi distinte e quando invece si trasformano gradualmente l'uno nell'altro. Il lavoro risolve una disputa pluriennale sul comportamento del ghiaccio d'acqua a pressioni estremamente elevate e allo stesso tempo offre uno strumento universale per descrivere sistemi magnetici con diversi valori di spin.
La chiave per comprendere sta nella simmetria. L'acqua liquida e il vapore, per esempio, possiedono la stessa simmetria: le molecole non hanno una direzione privilegiata. Perciò oltre il punto critico si trasformano l'una nell'altro senza un confine netto e sono considerati un'unica fase. Il ghiaccio invece forma un reticolo cristallino, violando questa simmetria, e per questo è sempre separato dal liquido da un vero confine di fase.
Nel caso delle forme dense di ghiaccio — VII, VIII e X — gli atomi di ossigeno formano la stessa struttura a scheletro, e le differenze riguardano soltanto la disposizione degli atomi di idrogeno. Nel ghiaccio VII gli idrogeni occupano posizioni casuali, nel VIII posizioni ordinate, e nel X si trovano esattamente a metà strada tra gli ossigeni. La simmetria media del cristallo nel VII e nel X risulta identica, e per lungo tempo è rimasto poco chiaro se fossero fasi separate o manifestazioni diverse di una sola.
Gli scienziati hanno riformulato il problema nel linguaggio del magnetismo. I punti medi dei legami tra gli atomi di ossigeno formano un reticolo pirocloro — proprio quello su cui sono costruiti i famosi «ghiacci di spin». Le tre possibili posizioni dell'idrogeno corrispondono a tre stati del momento magnetico con spin 1. In un modello semplificato che non tiene conto dell'ordinamento del VIII, i ghiacci VII e X sono separati da una transizione netta solo allo zero assoluto. A qualsiasi temperatura finita i difetti termici si comportano come monopoli magnetici, schermano il campo e trasformano il confine netto in un crossover graduale. Così, VII e X appartengono a un'unica fase, mentre VIII resta separato a causa della simmetria violata.
L'articolo principale su Physical Review X generalizza il risultato a valori arbitrari di spin nei modelli pirocloro classici del ghiaccio di spin. È emerso che le fasi sono separate da una rete di filamenti di difetti: finché i filamenti sono chiusi, gli stati sono distinti. Al riscaldamento i monopoli rompono i filamenti e la distinzione scompare. Fa eccezione lo spin 3/2, dove la transizione netta tra due stati magnetici simili a liquidi si conserva a temperatura finita e termina in un punto critico senza campo esterno — un bersaglio promettente per futuri esperimenti.
Il professor Haruki Watanabe ha sottolineato: i risultati confermano che le fasi della materia ordinaria si classificano esclusivamente in base alla simmetria violata. Ovunque la simmetria non distingua gli stati, esiste un percorso continuo senza confine di fase. Ora i ricercatori cercano fasi topologiche che potrebbero esistere a temperatura finita al di fuori di questa classificazione.
La nuova teoria non solo chiude il vecchio enigma del ghiaccio, ma apre anche la strada alla previsione del comportamento di materiali magnetici complessi, array nanomagnetici e sistemi di atomi freddi.
