香港科技大学的研究人员与东京大学的同事共同提出了一套通用理论，明确区分了两种物质状态何时保持为不同的相，何时又平滑地相互转化。这项工作解决了关于水冰在极端高压下行为的多年争论，同时为描述具有不同自旋值的磁性系统提供了通用工具。
理解的关键在于对称性。例如，液态水和水蒸气具有相同的对称性：分子没有特定的取向。因此，在临界点之后，它们会毫无明显边界地相互转化，被视为同一相。而冰则形成晶格，破坏了这种对称性，因此始终与液体之间隔着真正的相界。
对于冰的致密形态——VII、VIII 和 X——氧原子形成相同的骨架结构，区别仅在于氢原子的排列。在冰 VII 中，氢占据随机位置；在 VIII 中则有序排列；而在 X 中，氢恰好位于氧原子之间的中点。VII 和 X 晶体的平均对称性相同，长期以来一直不清楚它们究竟是独立的相，还是同一相的不同表现。
科学家们用磁学的语言重新表述了这个问题。氧原子之间键的中点构成了烧绿石晶格——正是著名的“自旋冰”所基于的晶格。氢的三种可能位置对应于自旋为 1 的磁矩的三种状态。在不考虑 VIII 有序化的简化模型中，冰 VII 和 X 仅在绝对零度时才由突变所分隔。在任何有限温度下，热缺陷的行为如同磁单极子，屏蔽场并将突变边界转变为平滑的渐变。因此，VII 和 X 属于同一相，而 VIII 由于对称性破缺而保持独立。
发表在 Physical Review X 上的主要论文将结果推广到自旋冰经典烧绿石模型中的任意自旋值。结果表明，相之间由缺陷线网络分隔：只要线是闭合的，状态就不同。加热时，单极子会打断这些线，差异随之消失。例外的是自旋 3/2，其中两种类液态磁态之间的突变在有限温度下依然存在，并以无外场情况下的临界点告终——这是未来实验的一个有前景的目标。
渡边春树教授强调：这些结果证实，普通物质的相完全依据对称性破缺来分类。凡是对称性无法区分状态之处，就存在一条没有相界的连续路径。现在，研究人员正在寻找可能在该分类之外于有限温度下存在的拓扑相。
新理论不仅解开了冰的古老谜题，还开辟了预测复杂磁性材料、纳米磁性阵列和冷原子系统行为的道路。
