Дослідники Гонконзького університету науки і технологій разом із колегами з Токійського університету запропонували загальну теорію, яка чітко розмежовує, коли два стани речовини залишаються різними фазами, а коли плавно переходять одне в одного. Робота розв'язує багаторічну суперечку про поведінку водяного льоду за екстремально високого тиску і водночас дає універсальний інструмент для опису магнітних систем із різними значеннями спіну.
Ключ до розуміння лежить у симетрії. Рідка вода й пара, наприклад, мають однакову симетрію: молекули не мають виділеного напрямку. Тому за критичною точкою вони перетворюються одна на одну без різкої межі й вважаються однією фазою. Лід же утворює кристалічну ґратку, порушуючи цю симетрію, і тому завжди відділений від рідини справжньою фазовою межею.
У випадку щільних форм льоду — VII, VIII і X — атоми кисню утворюють одну й ту саму каркасну структуру, а відмінності стосуються лише розташування атомів водню. У льоді VII водні займають випадкові позиції, у VIII — упорядковані, а в X — перебувають точно посередині між киснями. Середня симетрія кристала у VII і X виявляється однаковою, і довгий час залишалося неясним, чи є вони окремими фазами, чи різними проявами однієї.
Вчені переформулювали задачу мовою магнетизму. Середини зв'язків між атомами кисню утворюють пірохлорну ґратку — ту саму, на якій побудовані знамениті «спінові льоди». Три можливі положення водню відповідають трьом станам магнітного моменту зі спіном 1. У спрощеній моделі без урахування упорядкування VIII льоди VII і X розділяє різкий перехід лише за абсолютного нуля. За будь-якої скінченної температури теплові дефекти поводяться як магнітні монополі, екранують поле й перетворюють різку межу на плавний кросовер. Таким чином, VII і X належать до однієї фази, а VIII залишається окремою через порушену симетрію.
Головна стаття в Physical Review X узагальнює результат на довільні значення спіну в класичних пірохлорних моделях спінового льоду. Виявилося, що фази розділяє мережа ниток дефектів: поки нитки замкнені, стани різні. Під час нагрівання монополі розривають нитки, і відмінність зникає. Виняток становить спін 3/2, де різкий перехід між двома рідиноподібними магнітними станами зберігається за скінченної температури й закінчується критичною точкою без зовнішнього поля — перспективна мішень для майбутніх експериментів.
Професор Харукі Ватанабе підкреслив: результати підтверджують, що фази звичайної матерії класифікуються виключно за порушеною симетрією. Скрізь, де симетрія не розрізняє стани, існує неперервний шлях без фазової межі. Тепер дослідники шукають топологічні фази, які могли б існувати за скінченної температури поза межами цієї класифікації.
Нова теорія не лише закриває стару загадку льоду, а й відкриває шлях до передбачення поведінки складних магнітних матеріалів, наномагнітних масивів і систем холодних атомів.
