科大研究团队重新界定物质相的界线

由香港科技大学（科大）物理系及赛马会高等研究院教授渡辺悠树教授率领的研究团队，联同东京大学求幸年教授及研究生渡边濑名，建立了一套可广泛应用于不同自旋磁性系统的通用理论框架，用以预测两种物质状态何时存在本质区别，何时实质上属于同一物相。这项突破性成果不仅为物质相分类确立了一套通用的理论框架，亦解答了极端高压条件下水冰行为长期以来备受争议的科学问题。研究成果以「任意自旋值的经典焦绿石自旋冰系统中的拓扑相变及其热力学命运」为题，已于《Physical Review X》学术期刊发表。

物质不同相态之间是否存在清晰界线，往往取决于其对称性。以液态水和水蒸气为例，两者一般被视为不同物质状态，但其实拥有相同的基本对称性，即其分子没有偏好的位置或方向。因此，在超越特定临界点后，液态水与水蒸气可连续地互相转换，构成单一的热力学相（示意图一）。冰则截然不同：冰中的水分子排列成规则晶格并占据固定位置，打破了液体和气体所保留的对称性。由于两者的对称性不同，因此冰与液态水之间必须以真正的相界线相互分隔。

研究团队遂将此原理应用于高压冰，包括冰VII、冰VIII和冰X（示意图二）。这三种冰具有相同的氧原子骨架结构，但氢原子的排列方式有所不同：冰VII中的氢原子随机分布；冰VIII中的氢原子呈有序排列；而冰X中的氢原子则位于相邻氧原子的正中间。尽管存在这些差异，若就时间平均而言，冰VII和冰X仍保留相同的基本晶体对称性。因此，科学家一直未能确定两者是代表截然不同的物质相，还是同一物质相的不同表现形态。

为解答此难题，研究团队从磁学角度出发，重新诠释高压冰系统。氧原子之间化学键的中点构成一种名为焦绿石的晶格结构，正是著名「自旋冰」磁体的核心结构；而每个氢原子可处于的三个位置，恰好对应自旋1磁矩的三种状态。团队早前于《Physical Review B》发表的另一项研究亦证明，在排除冰VIII有序化的简化模型中，冰VII与冰X只会在绝对零度时出现真正的相变；当温度高于绝对零度时，热激发产生的缺陷会如磁单极子般运作，屏蔽维持两种状态分离的作用场，使原本明确的相变转变为平滑过渡。因此，冰VII与冰X本质上属于同一物质相。相反，冰VIII因其有序的氢原子排列打破了基本晶体的对称性（示意图三），故仍与另外两者截然有别。

建基于上述成果，研究团队于《Physical Review X》发表论文，进一步提出一套适用于任意自旋值的经典焦绿石自旋冰模型的通用相分类框架。研究显示，使两种状态彼此分隔的关键，是一个贯穿晶体的弦状缺陷网络（示意图四）：只要这些弦状结构保持闭环，两种状态便维持本质上的不同。

该框架亦揭示了过往未能辨识的重要分野：自旋为整数的磁体，其行为本质上有别于自旋为半整数的磁体。当温度高于绝对零度时，热激发的磁单极子会切断这些弦状结构，一旦弦被切断，两种状态的差异便会消失，因此几乎所有清晰的相界都会转化为平滑过渡。唯一例外是自旋3/2。在这类磁体中，两种不同的类液态磁性状态之间的突变相变预计可在有限温度下维持，并在毋须外加磁场的情况下终止于临界点，有关发现值得未来多加探索。基于上述发现，团队建立了统一的理论框架，有助理解物质相如何产生、稳定存在及相互转化，未来可望应用于受挫磁体、纳米磁体数阵列，以及被捕获的冷原子系统。

谈及研究成果，渡辺教授表示：「我们的研究结果最终支持了传统观点，即一般物质的相态是由对称性破缺所分类，而非其他机制。当两种状态无法透过对称性加以区分时，它们之间便有一条无需跨越相界的连续路径。若未来能发现超越这套分类框架，并且能在有限温度下稳定存在的拓扑相，将会是一项极具意义的突破，而这正是我们团队目前积极探索的方向。」