Исследователи Гонконгского университета науки и технологий вместе с коллегами из Токийского университета предложили общую теорию, которая четко разделяет, когда два состояния вещества остаются разными фазами, а когда плавно переходят друг в друга. Работа разрешает многолетний спор о поведении водяного льда при экстремально высоком давлении и одновременно дает универсальный инструмент для описания магнитных систем с разными значениями спина.
Ключ к пониманию лежит в симметрии. Жидкая вода и пар, например, обладают одинаковой симметрией: молекулы не имеют выделенного направления. Поэтому за критической точкой они превращаются друг в друга без резкой границы и считаются одной фазой. Лед же образует кристаллическую решетку, нарушая эту симметрию, и потому всегда отделен от жидкости настоящей фазовой границей.
В случае плотных форм льда — VII, VIII и X — кислородные атомы образуют одну и ту же каркасную структуру, а различия касаются лишь расположения атомов водорода. В льду VII водороды занимают случайные позиции, в VIII — упорядоченные, а в X — находятся точно посередине между кислородами. Средняя симметрия кристалла у VII и X оказывается одинаковой, и долгое время оставалось неясным, являются ли они отдельными фазами или разными проявлениями одной.
Ученые переформулировали задачу на языке магнетизма. Середины связей между атомами кислорода образуют пирохлорную решетку — ту самую, на которой построены знаменитые «спиновые льды». Три возможных положения водорода соответствуют трем состояниям магнитного момента со спином 1. В упрощенной модели без учета упорядочения VIII льды VII и X разделяет резкий переход только при абсолютном нуле. При любой конечной температуре тепловые дефекты ведут себя как магнитные монополи, экранируют поле и превращают резкую границу в плавный кроссовер. Таким образом, VII и X принадлежат одной фазе, а VIII остается отдельной из-за нарушенной симметрии.
Главная статья в Physical Review X обобщает результат на произвольные значения спина в классических пирохлорных моделях спинового льда. Оказалось, что фазы разделяет сеть нитей дефектов: пока нити замкнуты, состояния различны. При нагреве монополи разрывают нити, и различие исчезает. Исключение составляет спин 3/2, где резкий переход между двумя жидкоподобными магнитными состояниями сохраняется при конечной температуре и заканчивается критической точкой без внешнего поля — перспективная мишень для будущих экспериментов.
Профессор Харуки Ватанабэ подчеркнул: результаты подтверждают, что фазы обычной материи классифицируются исключительно по нарушенной симметрии. Везде, где симметрия не различает состояния, существует непрерывный путь без фазовой границы. Теперь исследователи ищут топологические фазы, которые могли бы существовать при конечной температуре за пределами этой классификации.
Новая теория не только закрывает старую загадку льда, но и открывает путь к предсказанию поведения сложных магнитных материалов, наномагнитных массивов и систем холодных атомов.
