[論文レビュー] Electromagnetism on ice: classical and quantum theories of proton disorder in hexagonal water ice

Owen Benton, Olga Sikora+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2015

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ひとこと要約

本稿は、古典的および量子モデルを用いて、六方晶水酸化物（Ih）における陽子不規則性を調査し、量子トンネル効果が集団的陽子揺らぎを生じさせ、励起状態が光子に類似した性質を示す量子液体を形成することを示している。量子効果により、実験的非一様な非弾性中性子散乱の翼部が説明可能であり、低温でも陽子が量子揺らぎによって動的不規則性を保つことが示唆されている。

ABSTRACT

It has been known since the pioneering work of Bernal, Fowler and Pauling that common, hexagonal (Ih) water is the archetype of a frustrated material : a proton-bonded network in which protons satisfy strong local constraints - the ice - but do not order. While this proton disorder is well established, there is now a growing body of evidence that quantum effects may also have a role to play in the physics of at low temperatures. In this Article we use a combination of numerical and analytic techniques to explore the nature of proton correlations in both classical and quantum models of Ih. In the case of classical Ih, we find that the rules have two, distinct, consequences for scattering experiments - singular pinch points, reflecting a zero-divergence condition on the uniform polarization of the crystal, and broad, asymmetric features, coming from its staggered polarisation. In the case of the quantum model, we find that the collective quantum tunnelling of groups of protons can convert states obeying the rules into a quantum liquid, whose excitations are birefringent, emergent photons. We make explicit predictions for scattering experiments on both classical and quantum Ih, and show how the quantum theory can explain the wings of incoherent inelastic scattering observed in recent neutron scattering experiments [Bove et al., Phys. Rev. Lett. 103, 165901 (2009)]. These results raise the intriguing possibility that the protons in Ih could form a quantum liquid at low temperatures, in which protons are not merely disordered, but continually fluctuate between different configurations obeying the rules.

研究の動機と目的

• 六方晶水酸化物（Ih）における量子効果が陽子不規則性に与える役割を理解すること。
• 古典的不規則性を超えて、量子揺らぎが量子液体相を安定化させ得るかどうかを特定すること。
• 最近の中性子散乱実験で観測された異常な非一様な非弾性散乱の翼部を、陽子ダイナミクスの量子力学的モデルと一致させること。
• 氷における古典的および量子的挙動を区別するのを目的とした散乱実験の理論的予測を開発すること。

提案手法

• 古典的および量子モデルにおけるIh氷内の陽子配置を研究するため、数値的シミュレーションと解析的手法を組み合わせる。
• 両方の古典的および量子フレームワークにおいて、局所的陽子制約を満たすためにパールリングモデルの氷則を適用する。
• 量子多体技法を用いて、水素結合を越えた集団的陽子トンネル効果をモデル化する。
• 散乱応答関数を解析し、中性子散乱実験における観測可能なシグネチャを予測する。
• 量子揺らぎから生じる二色性を示す光子に類似した励起状態の出現を導出する。
• 古典的予測（特異的ピンチポイントおよび非対称的特徴）と量子的予測（非一様散乱の翼部）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 氷Ihにおける陽子の量子トンネル効果が、古典的不規則性とは明確に異なる一貫性のある集団的量子状態を生じうるか？
• RQ2 量子揺らぎは、古典的期待値と比較して中性子散乱実験における散乱応答をどのように変化させるか？
• RQ3 氷における量子的不規則な陽子系における励起状態の性質は何か？
• RQ4 観測された非一様非弾性散乱の翼部は、陽子ダイナミクスの量子モデルによってどの程度説明可能か？
• RQ5 古典的陽子不規則状態と量子液体状態の陽子を区別する実験的シグネチャは何か？

主な発見

• 古典的陽子不規則性は、均一な極性制約から生じる特異的ピンチポイントと、交互極性から生じる広がりが強く非対称な特徴という2つの異なる散乱特徴を生じる。
• 量子効果により集団的陽子トンネル効果が可能となり、二色性を示し、光子に類似した励起状態を持つ量子液体相が形成される。
• 量子モデルは、古典的モデルが再現できない非一様非弾性散乱の翼部を成功裏に説明している。
• 量子液体内の励起光子は、氷格子内での陽子トンネルの異方的性質により、二色性を示すと予測されている。
• 本研究は、低温でも陽子が単なる不規則性ではなく、一貫性のある量子状態で動的フラクチュエートし続けるという理論的枠組みを提供している。