Badacze z Hongkońskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii wraz z kolegami z Uniwersytetu Tokijskiego zaproponowali ogólną teorię, która wyraźnie rozdziela, kiedy dwa stany materii pozostają różnymi fazami, a kiedy płynnie przechodzą jeden w drugi. Praca rozstrzyga wieloletni spór o zachowanie lodu wodnego przy ekstremalnie wysokim ciśnieniu i jednocześnie daje uniwersalne narzędzie do opisu układów magnetycznych o różnych wartościach spinu.
Klucz do zrozumienia leży w symetrii. Ciekła woda i para wodna mają na przykład identyczną symetrię: cząsteczki nie mają wyróżnionego kierunku. Dlatego za punktem krytycznym przechodzą jedna w drugą bez ostrej granicy i są uważane za jedną fazę. Lód natomiast tworzy sieć krystaliczną, naruszając tę symetrię, i dlatego zawsze jest oddzielony od cieczy prawdziwą granicą fazową.
W przypadku gęstych form lodu — VII, VIII i X — atomy tlenu tworzą tę samą strukturę szkieletową, a różnice dotyczą jedynie rozmieszczenia atomów wodoru. W lodzie VII wodory zajmują przypadkowe pozycje, w VIII — uporządkowane, a w X — znajdują się dokładnie pośrodku między tlenami. Średnia symetria kryształu w VII i X okazuje się identyczna i przez długi czas pozostawało niejasne, czy są to odrębne fazy, czy różne przejawy jednej.
Naukowcy przeformułowali zagadnienie w języku magnetyzmu. Środki wiązań między atomami tlenu tworzą sieć pirochlorową — tę samą, na której zbudowane są słynne „lody spinowe”. Trzy możliwe położenia wodoru odpowiadają trzem stanom momentu magnetycznego o spinie 1. W uproszczonym modelu bez uwzględnienia uporządkowania VIII lody VII i X rozdziela ostre przejście tylko w temperaturze zera absolutnego. Przy dowolnej skończonej temperaturze defekty termiczne zachowują się jak monopole magnetyczne, ekranują pole i zamieniają ostrą granicę w płynny crossover. Tak więc VII i X należą do jednej fazy, a VIII pozostaje odrębna z powodu naruszonej symetrii.
Główny artykuł w Physical Review X uogólnia wynik na dowolne wartości spinu w klasycznych modelach pirochlorowych lodu spinowego. Okazało się, że fazy rozdziela sieć nici defektów: dopóki nici są zamknięte, stany są różne. Przy ogrzewaniu monopole rozrywają nici i różnica znika. Wyjątek stanowi spin 3/2, gdzie ostre przejście między dwoma cieczopodobnymi stanami magnetycznymi utrzymuje się przy skończonej temperaturze i kończy się punktem krytycznym bez zewnętrznego pola — obiecujący cel przyszłych eksperymentów.
Profesor Haruki Watanabe podkreślił: wyniki potwierdzają, że fazy zwykłej materii klasyfikuje się wyłącznie na podstawie naruszonej symetrii. Wszędzie tam, gdzie symetria nie rozróżnia stanów, istnieje ciągła droga bez granicy fazowej. Teraz badacze szukają faz topologicznych, które mogłyby istnieć przy skończonej temperaturze poza tą klasyfikacją.
Nowa teoria nie tylko zamyka dawną zagadkę lodu, ale także otwiera drogę do przewidywania zachowania złożonych materiałów magnetycznych, nanomagnetycznych matryc i układów zimnych atomów.
