Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, em conjunto com colegas da Universidade de Tóquio, propuseram uma teoria geral que distingue claramente quando dois estados da matéria permanecem fases distintas e quando transitam suavemente um para o outro. O trabalho resolve uma disputa de longa data sobre o comportamento do gelo de água sob pressão extremamente alta e, ao mesmo tempo, oferece uma ferramenta universal para descrever sistemas magnéticos com diferentes valores de spin.
A chave para a compreensão está na simetria. A água líquida e o vapor, por exemplo, possuem a mesma simetria: as moléculas não têm uma direção privilegiada. Por isso, além do ponto crítico, transformam-se uma na outra sem uma fronteira nítida e são considerados uma única fase. O gelo, por sua vez, forma uma rede cristalina, violando essa simetria, e por isso está sempre separado do líquido por uma verdadeira fronteira de fase.
No caso das formas densas de gelo — VII, VIII e X —, os átomos de oxigênio formam uma mesma estrutura de arcabouço, e as diferenças dizem respeito apenas à disposição dos átomos de hidrogênio. No gelo VII, os hidrogênios ocupam posições aleatórias; no VIII, posições ordenadas; e no X, encontram-se exatamente a meio caminho entre os oxigênios. A simetria média do cristal no VII e no X revela-se idêntica, e por muito tempo permaneceu incerto se seriam fases separadas ou manifestações diferentes de uma mesma fase.
Os cientistas reformularam o problema na linguagem do magnetismo. Os pontos médios das ligações entre os átomos de oxigênio formam uma rede pirocloro — a mesma sobre a qual se constroem os famosos «gelos de spin». As três posições possíveis do hidrogênio correspondem a três estados do momento magnético com spin 1. No modelo simplificado, sem levar em conta o ordenamento do VIII, os gelos VII e X são separados por uma transição abrupta apenas no zero absoluto. A qualquer temperatura finita, os defeitos térmicos comportam-se como monopolos magnéticos, blindam o campo e transformam a fronteira nítida num crossover suave. Assim, VII e X pertencem a uma mesma fase, enquanto VIII permanece separado devido à simetria violada.
O artigo principal na Physical Review X generaliza o resultado para valores arbitrários de spin em modelos pirocloro clássicos de gelo de spin. Verificou-se que as fases são separadas por uma rede de filamentos de defeitos: enquanto os filamentos estão fechados, os estados são distintos. Ao aquecer, os monopolos rompem os filamentos, e a distinção desaparece. A exceção é o spin 3/2, em que a transição abrupta entre dois estados magnéticos semelhantes a líquidos se mantém a temperatura finita e termina num ponto crítico sem campo externo — um alvo promissor para futuros experimentos.
O professor Haruki Watanabe enfatizou: os resultados confirmam que as fases da matéria comum se classificam exclusivamente pela simetria violada. Onde quer que a simetria não distinga os estados, existe um caminho contínuo sem fronteira de fase. Agora os pesquisadores buscam fases topológicas que poderiam existir a temperatura finita para além dessa classificação.
A nova teoria não apenas encerra o antigo enigma do gelo, mas também abre caminho para prever o comportamento de materiais magnéticos complexos, arranjos nanomagnéticos e sistemas de átomos frios.
