科大研究團隊重新界定物質相的界線

由香港科技大學（科大）物理系及賽馬會高等研究院教授渡辺悠樹教授率領的研究團隊，聯同東京大學求幸年教授及研究生渡邊瀨名，建立了一套可廣泛應用於不同自旋磁性系統的通用理論框架，用以預測兩種物質狀態何時存在本質區別，何時實質上屬於同一物相。這項突破性成果不僅為物質相分類確立了一套通用的理論框架，亦解答了極端高壓條件下水冰行為長期以來備受爭議的科學問題。研究成果以「任意自旋值的經典焦綠石自旋冰系統中的拓撲相變及其熱力學命運」為題，已於《Physical Review X》學術期刊發表。

物質不同相態之間是否存在清晰界線，往往取決於其對稱性。以液態水和水蒸氣為例，兩者一般被視為不同物質狀態，但其實擁有相同的基本對稱性，即其分子沒有偏好的位置或方向。因此，在超越特定臨界點後，液態水與水蒸氣可連續地互相轉換，構成單一的熱力學相（示意圖一）。冰則截然不同：冰中的水分子排列成規則晶格並佔據固定位置，打破了液體和氣體所保留的對稱性。由於兩者的對稱性不同，因此冰與液態水之間必須以真正的相界線相互分隔。

研究團隊遂將此原理應用於高壓冰，包括冰VII、冰VIII和冰X（示意圖二）。這三種冰具有相同的氧原子骨架結構，但氫原子的排列方式有所不同：冰VII中的氫原子隨機分佈；冰VIII中的氫原子呈有序排列；而冰X中的氫原子則位於相鄰氧原子的正中間。儘管存在這些差異，若就時間平均而言，冰VII和冰X仍保留相同的基本晶體對稱性。因此，科學家一直未能確定兩者是代表截然不同的物質相，還是同一物質相的不同表現形態。

為解答此難題，研究團隊從磁學角度出發，重新詮釋高壓冰系統。氧原子之間化學鍵的中點構成一種名為焦綠石的晶格結構，正是著名「自旋冰」磁體的核心結構；而每個氫原子可處於的三個位置，恰好對應自旋1磁矩的三種狀態。團隊早前於《Physical Review B》發表的另一項研究亦證明，在排除冰VIII有序化的簡化模型中，冰VII與冰X只會在絕對零度時出現真正的相變；當溫度高於絕對零度時，熱激發產生的缺陷會如磁單極子般運作，屏蔽維持兩種狀態分離的作用場，使原本明確的相變轉變為平滑過渡。因此，冰VII與冰X本質上屬於同一物質相。相反，冰VIII因其有序的氫原子排列打破了基本晶體的對稱性（示意圖三），故仍與另外兩者截然有別。

建基於上述成果，研究團隊於《Physical Review X》發表論文，進一步提出一套適用於任意自旋值的經典焦綠石自旋冰模型的通用相分類框架。研究顯示，使兩種狀態彼此分隔的關鍵，是一個貫穿晶體的弦狀缺陷網絡（示意圖四）：只要這些弦狀結構保持閉環，兩種狀態便維持本質上的不同。

該框架亦揭示了過往未能辨識的重要分野：自旋為整數的磁體，其行為本質上有別於自旋為半整數的磁體。當溫度高於絕對零度時，熱激發的磁單極子會切斷這些弦狀結構，一旦弦被切斷，兩種狀態的差異便會消失，因此幾乎所有清晰的相界都會轉化為平滑過渡。唯一例外是自旋3/2。在這類磁體中，兩種不同的類液態磁性狀態之間的突變相變預計可在有限溫度下維持，並在毋須外加磁場的情況下終止於臨界點，有關發現值得未來多加探索。基於上述發現，團隊建立了統一的理論框架，有助理解物質相如何產生、穩定存在及相互轉化，未來可望應用於受挫磁體、納米磁體陣列，以及被捕獲的冷原子系統。

談及研究成果，渡辺教授表示：「我們的研究結果最終支持了傳統觀點，即一般物質的相態是由對稱性破缺所分類，而非其他機制。當兩種狀態無法透過對稱性加以區分時，它們之間便有一條無需跨越相界的連續路徑。若未來能發現超越這套分類框架，並且能在有限溫度下穩定存在的拓撲相，將會是一項極具意義的突破，而這正是我們團隊目前積極探索的方向。」