Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông cùng các đồng nghiệp từ Đại học Tokyo đã đề xuất một lý thuyết tổng quát, phân định rõ ràng khi nào hai trạng thái của vật chất vẫn là những pha khác biệt, và khi nào chúng chuyển hóa mượt mà vào nhau. Công trình này giải quyết cuộc tranh luận kéo dài nhiều năm về hành vi của băng nước dưới áp suất cực cao, đồng thời mang lại một công cụ phổ quát để mô tả các hệ từ tính với những giá trị spin khác nhau.
Chìa khóa để hiểu điều này nằm ở tính đối xứng. Chẳng hạn, nước lỏng và hơi nước có cùng tính đối xứng: các phân tử không có hướng ưu tiên nào. Vì vậy, sau điểm tới hạn, chúng chuyển hóa vào nhau mà không có ranh giới rõ rệt và được coi là một pha duy nhất. Còn băng tạo thành mạng tinh thể, phá vỡ tính đối xứng đó, nên luôn bị ngăn cách khỏi chất lỏng bởi một ranh giới pha thực sự.
Trong trường hợp các dạng băng đậm đặc — VII, VIII và X — các nguyên tử oxy tạo thành cùng một cấu trúc khung, còn những khác biệt chỉ liên quan đến vị trí của các nguyên tử hydro. Trong băng VII, các hydro chiếm những vị trí ngẫu nhiên, trong băng VIII — những vị trí có trật tự, còn trong băng X — chúng nằm chính xác ở giữa các nguyên tử oxy. Tính đối xứng trung bình của tinh thể ở VII và X hóa ra lại giống nhau, và trong một thời gian dài vẫn chưa rõ liệu chúng là những pha riêng biệt hay chỉ là những biểu hiện khác nhau của cùng một pha.
Các nhà khoa học đã diễn đạt lại bài toán bằng ngôn ngữ của từ tính học. Các điểm giữa của liên kết giữa các nguyên tử oxy tạo thành mạng pyrochlore — chính là mạng mà trên đó những “băng spin” nổi tiếng được xây dựng. Ba vị trí khả dĩ của hydro tương ứng với ba trạng thái của mômen từ với spin 1. Trong mô hình đơn giản hóa không tính đến trật tự của băng VIII, băng VII và X chỉ bị ngăn cách bởi một chuyển pha rõ rệt tại độ không tuyệt đối. Ở bất kỳ nhiệt độ hữu hạn nào, các khuyết tật nhiệt đều hành xử như những đơn cực từ, che chắn trường và biến ranh giới rõ rệt thành một chuyển đổi mượt mà. Như vậy, VII và X thuộc cùng một pha, còn VIII vẫn là một pha riêng biệt do tính đối xứng bị phá vỡ.
Bài báo chính trên Physical Review X khái quát hóa kết quả cho các giá trị spin tùy ý trong những mô hình pyrochlore cổ điển của băng spin. Hóa ra, các pha được phân chia bởi một mạng lưới các sợi khuyết tật: chừng nào các sợi còn khép kín, các trạng thái vẫn khác biệt. Khi bị nung nóng, các đơn cực làm đứt các sợi, và sự khác biệt biến mất. Ngoại lệ là spin 3/2, nơi chuyển pha rõ rệt giữa hai trạng thái từ tính giống chất lỏng vẫn tồn tại ở nhiệt độ hữu hạn và kết thúc bằng một điểm tới hạn không có trường ngoài — một mục tiêu đầy triển vọng cho các thí nghiệm trong tương lai.
Giáo sư Haruki Watanabe nhấn mạnh: các kết quả xác nhận rằng những pha của vật chất thông thường được phân loại hoàn toàn dựa trên tính đối xứng bị phá vỡ. Ở bất cứ đâu mà tính đối xứng không phân biệt được các trạng thái, đều tồn tại một con đường liên tục không có ranh giới pha. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những pha tôpô có thể tồn tại ở nhiệt độ hữu hạn nằm ngoài cách phân loại này.
Lý thuyết mới không chỉ giải đáp câu đố lâu đời về băng, mà còn mở ra con đường dự đoán hành vi của các vật liệu từ tính phức tạp, các mảng nano từ tính và các hệ nguyên tử lạnh.
