香港科技大学の研究者たちは東京大学の同僚とともに、二つの物質状態が異なる相のままにとどまる場合と、滑らかに互いに移り変わる場合を明確に区別する一般理論を提唱した。この研究は、極めて高い圧力下での水の氷の挙動をめぐる長年の論争を解決すると同時に、異なるスピンの値を持つ磁性系を記述するための普遍的な道具をもたらす。
理解の鍵は対称性にある。たとえば液体の水と水蒸気は同じ対称性を持つ。分子には特別な方向が存在しないからである。それゆえ臨界点を超えると、それらは鋭い境界なしに互いに移り変わり、一つの相とみなされる。一方、氷は結晶格子を形成してこの対称性を破るため、常に液体とは本物の相境界によって隔てられている。
氷の高密度な形態であるVII、VIII、Xの場合、酸素原子は同一の骨格構造を形成し、違いは水素原子の配置だけに関わる。氷VIIでは水素は無秩序な位置を占め、VIIIでは秩序だった位置を占め、Xでは酸素と酸素のちょうど中間に位置する。VIIとXでは結晶の平均的な対称性が同じになるため、長い間、それらが別々の相なのか、一つの相の異なる現れなのかは不明のままだった。
科学者たちはこの問題を磁性の言葉で言い換えた。酸素原子間の結合の中点はパイロクロア格子を形成する。まさに有名な「スピンアイス」がその上に築かれている格子である。水素の三つの可能な位置は、スピン1を持つ磁気モーメントの三つの状態に対応する。VIIIの秩序化を考慮しない簡略化モデルでは、氷VIIとXを分かつのは絶対零度における鋭い転移だけである。いかなる有限温度でも、熱的欠陥は磁気モノポールのように振る舞い、場を遮蔽して、鋭い境界を滑らかなクロスオーバーに変える。したがってVIIとXは同じ相に属し、VIIIは破れた対称性のために別個の相にとどまる。
Physical Review Xの主要論文は、この結果をスピンアイスの古典的パイロクロア模型における任意のスピンの値へと一般化する。相を分かつのは欠陥の糸の網であることが判明した。糸が閉じている限り、状態は異なっている。加熱するとモノポールが糸を断ち切り、違いは消える。例外はスピン3/2であり、そこでは二つの液体のような磁気状態の間の鋭い転移が有限温度でも保たれ、外部場なしの臨界点で終わる。将来の実験にとって有望な標的である。
渡辺春樹教授は次のように強調した。この結果は、通常の物質の相がもっぱら破れた対称性によって分類されることを裏付けている。対称性が状態を区別しないところではどこでも、相境界のない連続的な経路が存在する。現在、研究者たちはこの分類の枠外で有限温度に存在しうるトポロジカル相を探している。
新しい理論は氷の古い謎を解き明かすだけでなく、複雑な磁性材料、ナノ磁性アレイ、冷却原子系の挙動を予測する道も開く。
