Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar, Tokyo Üniversitesi'nden meslektaşlarıyla birlikte, iki madde durumunun ne zaman farklı fazlar olarak kaldığını ve ne zaman birbirine yumuşak bir geçişle dönüştüğünü net biçimde ayıran genel bir teori önerdi. Çalışma, su buzunun aşırı yüksek basınç altındaki davranışına ilişkin yıllardır süren tartışmayı çözerken, aynı zamanda farklı spin değerlerine sahip manyetik sistemleri tanımlamak için evrensel bir araç sunuyor.
Anlayışın anahtarı simetride yatıyor. Örneğin sıvı su ve buhar aynı simetriye sahiptir: moleküllerin belirgin bir yönü yoktur. Bu nedenle kritik noktanın ötesinde keskin bir sınır olmaksızın birbirlerine dönüşürler ve tek bir faz olarak kabul edilirler. Buz ise kristal bir örgü oluşturarak bu simetriyi bozar ve bu yüzden her zaman sıvıdan gerçek bir faz sınırıyla ayrılır.
Yoğun buz biçimleri olan VII, VIII ve X söz konusu olduğunda, oksijen atomları aynı çerçeve yapısını oluşturur ve farklılıklar yalnızca hidrojen atomlarının dizilişiyle ilgilidir. Buz VII'de hidrojenler rastgele konumları işgal eder, VIII'de düzenli konumlardadır, X'te ise tam olarak oksijenlerin ortasında bulunur. Kristalin ortalama simetrisi VII ve X'te aynı çıkar ve uzun süre bunların ayrı fazlar mı yoksa tek bir fazın farklı görünümleri mi olduğu belirsiz kaldı.
Bilim insanları sorunu manyetizma dilinde yeniden formüle etti. Oksijen atomları arasındaki bağların orta noktaları, ünlü «spin buzlarının» üzerine kurulduğu piroklor örgüsünü oluşturur. Hidrojenin üç olası konumu, spini 1 olan manyetik momentin üç durumuna karşılık gelir. VIII'in düzenlenmesini hesaba katmayan basitleştirilmiş modelde, buz VII ile X'i birbirinden ayıran keskin geçiş yalnızca mutlak sıfırda gerçekleşir. Herhangi bir sonlu sıcaklıkta, ısıl kusurlar manyetik monopol gibi davranır, alanı perdeler ve keskin sınırı yumuşak bir geçişe dönüştürür. Böylece VII ve X aynı faza aittir; VIII ise bozulmuş simetri nedeniyle ayrı kalır.
Physical Review X'teki ana makale, sonucu klasik piroklor spin buzu modellerindeki keyfi spin değerlerine genelleştiriyor. Fazları bir kusur iplikleri ağının ayırdığı ortaya çıktı: iplikler kapalı olduğu sürece durumlar farklıdır. Isıtma sırasında monopoller iplikleri koparır ve fark ortadan kalkar. İstisna, iki sıvı benzeri manyetik durum arasındaki keskin geçişin sonlu sıcaklıkta korunduğu ve dış alan olmaksızın bir kritik noktayla sona erdiği spin 3/2 durumudur — gelecekteki deneyler için umut verici bir hedef.
Profesör Haruki Watanabe şunu vurguladı: sonuçlar, sıradan maddenin fazlarının yalnızca bozulmuş simetriye göre sınıflandırıldığını doğruluyor. Simetrinin durumları ayırt etmediği her yerde, faz sınırı olmayan sürekli bir yol vardır. Şimdi araştırmacılar, bu sınıflandırmanın ötesinde sonlu sıcaklıkta var olabilecek topolojik fazları arıyor.
Yeni teori yalnızca buzun eski gizemini kapatmakla kalmıyor, aynı zamanda karmaşık manyetik malzemelerin, nanomanyetik dizilerin ve soğuk atom sistemlerinin davranışını öngörmenin yolunu da açıyor.
