Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology hebben samen met collega's van de Universiteit van Tokio een algemene theorie voorgesteld die duidelijk onderscheidt wanneer twee toestanden van materie verschillende fasen blijven en wanneer ze vloeiend in elkaar overgaan. Het werk beslecht een jarenlang debat over het gedrag van waterijs bij extreem hoge druk en levert tegelijkertijd een universeel instrument voor het beschrijven van magnetische systemen met verschillende spinwaarden.
De sleutel tot het begrip ligt in de symmetrie. Vloeibaar water en stoom bijvoorbeeld bezitten dezelfde symmetrie: de moleculen hebben geen bevoorrechte richting. Daarom gaan ze voorbij het kritieke punt zonder scherpe grens in elkaar over en worden ze als één fase beschouwd. IJs daarentegen vormt een kristalrooster, waardoor deze symmetrie wordt verbroken, en is daarom altijd door een echte fasegrens van de vloeistof gescheiden.
In het geval van de dichte vormen van ijs — VII, VIII en X — vormen de zuurstofatomen eenzelfde skeletstructuur, en betreffen de verschillen slechts de rangschikking van de waterstofatomen. In ijs VII bezetten de waterstofatomen willekeurige posities, in VIII geordende, en in X bevinden ze zich precies halverwege tussen de zuurstofatomen. De gemiddelde symmetrie van het kristal blijkt bij VII en X dezelfde te zijn, en lange tijd bleef het onduidelijk of zij afzonderlijke fasen zijn of verschillende verschijningsvormen van één fase.
De wetenschappers herformuleerden het probleem in de taal van het magnetisme. De middens van de bindingen tussen de zuurstofatomen vormen een pyrochloorrooster — precies dat waarop de beroemde ‘spin-ijs’ zijn gebouwd. De drie mogelijke posities van het waterstof komen overeen met drie toestanden van het magnetische moment met spin 1. In het vereenvoudigde model zonder rekening te houden met de ordening van VIII scheidt een scherpe overgang ijs VII en X alleen bij het absolute nulpunt. Bij elke eindige temperatuur gedragen thermische defecten zich als magnetische monopolen, schermen het veld af en veranderen de scherpe grens in een vloeiende crossover. Zo behoren VII en X tot één fase, terwijl VIII door de verbroken symmetrie afzonderlijk blijft.
Het hoofdartikel in Physical Review X generaliseert het resultaat naar willekeurige spinwaarden in klassieke pyrochloor-modellen van spin-ijs. Het bleek dat een netwerk van defectdraden de fasen scheidt: zolang de draden gesloten zijn, zijn de toestanden verschillend. Bij verwarming breken de monopolen de draden, en het verschil verdwijnt. Een uitzondering vormt spin 3/2, waar de scherpe overgang tussen twee vloeistofachtige magnetische toestanden bij eindige temperatuur behouden blijft en eindigt in een kritiek punt zonder uitwendig veld — een veelbelovend doelwit voor toekomstige experimenten.
Professor Haruki Watanabe benadrukte: de resultaten bevestigen dat de fasen van gewone materie uitsluitend worden geclassificeerd op basis van verbroken symmetrie. Overal waar de symmetrie de toestanden niet onderscheidt, bestaat een continu pad zonder fasegrens. Nu zoeken onderzoekers naar topologische fasen die bij eindige temperatuur buiten deze classificatie zouden kunnen bestaan.
De nieuwe theorie lost niet alleen het oude raadsel van het ijs op, maar opent ook de weg naar het voorspellen van het gedrag van complexe magnetische materialen, nanomagnetische arrays en systemen van koude atomen.
