香港科技大學的研究人員與東京大學的同事共同提出了一套通用理論，明確區分了兩種物質狀態何時仍屬於不同的相，何時又會平滑地相互轉變。這項工作解決了關於水冰在極高壓下行為的多年爭論，同時也提供了一個通用工具，用於描述具有不同自旋值的磁性系統。
理解的關鍵在於對稱性。例如，液態水與水蒸氣具有相同的對稱性：分子沒有特定的取向。因此，在臨界點之後，它們會相互轉變而沒有明顯的邊界，被視為同一個相。而冰則形成晶格，破壞了這種對稱性，因此始終以真正的相界與液體分隔開來。
就緻密形式的冰——VII、VIII 和 X——而言，氧原子形成相同的骨架結構，差異僅在於氫原子的排列方式。在冰 VII 中，氫佔據隨機位置；在冰 VIII 中，氫有序排列；而在冰 X 中，氫則恰好位於氧原子之間的中點。冰 VII 和冰 X 的晶體平均對稱性結果相同，長期以來一直不清楚它們是各自獨立的相，還是同一個相的不同表現。
科學家們以磁學的語言重新表述了這個問題。氧原子之間鍵的中點構成了燒綠石晶格——正是著名的「自旋冰」所依據的那種晶格。氫的三種可能位置對應於自旋為 1 的磁矩的三種狀態。在不考慮 VIII 有序化的簡化模型中，冰 VII 和冰 X 僅在絕對零度時才由急遽轉變分隔。在任何有限溫度下，熱缺陷的行為如同磁單極子，會屏蔽場並將急遽的邊界轉變為平滑的交叉。因此，VII 和 X 屬於同一個相，而 VIII 由於對稱性破缺而保持獨立。
發表於《Physical Review X》的主要論文將結果推廣到經典燒綠石自旋冰模型中任意自旋值的情形。結果表明，相之間由一張缺陷細絲網絡分隔：只要細絲閉合，狀態就彼此不同。加熱時，單極子會扯斷細絲，差異便隨之消失。例外的是自旋 3/2，其中兩種類液體磁性狀態之間的急遽轉變在有限溫度下依然保持，並終止於一個無需外部磁場的臨界點——這是未來實驗極具前景的目標。
渡邊春樹教授強調：這些結果證實，普通物質的相僅依據對稱性破缺來分類。凡是對稱性無法區分狀態的地方，就存在一條沒有相界的連續路徑。如今，研究人員正在尋找可能在此分類之外於有限溫度下存在的拓撲相。
這套新理論不僅解開了冰的古老謎團，也為預測複雜磁性材料、奈米磁性陣列以及冷原子系統的行為開闢了道路。
