[논문 리뷰] Electromagnetism on ice: classical and quantum theories of proton disorder in hexagonal water ice

Owen Benton, Olga Sikora외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 16.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고전적 및 양자 모델을 사용하여 삼각형수의 물의 얼음(Ih)에서 양성자 불규칙성의 성질을 연구하며, 양자 터널링이 집단적인 양성자 변동을 가능하게 하여 잠재적인 빛과 유사한 진동을 갖는 양자 액체를 형성함을 보여준다. 이는 실험적으로 관측된 비균일한 비탄성 중성자 산란 날개를 양자 효과로 설명하며, 저온에서 양성자가 양자 변동으로 인해 여전히 동적으로 불규칙한 상태를 유지함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 삼각형수의 물의 얼음(Ih)에서 양성자 불규칙성에 미치는 양자 효과의 역할을 이해하기 위해.
• 고전적 불규칙성 이상으로 양자 변동이 양자 액체 상을 안정화시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 최근의 중성자 산란 데이터에서 관측된 이국적인 비균일한 산란 날개를 양자역학적 양성자 역학 모델과 조율하기 위해.
• 빙하에서 고전적 및 양자적 행동을 구별할 수 있는 산란 실험에 대한 이론적 예측을 개발하기 위해.

제안 방법

• 빙하 Ih에서의 양성자 구조에 대한 고전적 및 양자 모델을 수치 시뮬레이션과 분석 기법을 결합하여 연구한다.
• 고전적 및 양자적 프레임워크에서 모두 국소적 양성자 제약 조건을 만족시키기 위해 파울링의 빙하 규칙을 적용한다.
• 수많은 양성자들이 수소 결합을 통해 집단적으로 터널링하는 것을 모델링하기 위해 양자 many-body 기법을 사용한다.
• 중성자 산란 실험에서 관측 가능한 서명을 예측하기 위해 산란 응답 함수를 분석한다.
• 양성자 액체에서의 양자 변동으로부터 이방성적인 성질을 띠는 빛과 유사한 진동이 어떻게 나타나는지 유도한다.
• 고전적 예측(단일한 핀치 포인트 및 비대칭적 특징)과 양자적 예측(비균일한 산란 날개)을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빙하 Ih에서의 양성자 터널링이 고전적 불규칙성과는 다를 바 있는 집단적 양자 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 양자 변동은 고전적 기대와 비교해 중성자 산란 실험에서의 산란 응답을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 빙하에서 양자 불규칙한 양성자 시스템에서 나타나는 잠재적인 진동의 성격은 무엇인가?
• RQ4 관측된 빙하의 비균일한 비탄성 산란 날개는 어느 정도까지 양성자 역학의 양자 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 고전적 양성자 불규칙 상태와 양성자 양자 액체 상태를 구별할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 빙하 Ih에서의 고전적 양성자 불규칙성은 두 가지 다른 산란 특징을 생성한다: 균일한 극성 제약 조건에서 유래한 단일한 핀치 포인트와, 교대 극성에서 기인한 넓고 비대칭적인 특징.
• 양자 효과는 집단적 양성자 터널링을 가능하게 하여, 잠재적인 이방성의 빛과 유사한 진동을 갖는 양자 액체 상을 형성한다.
• 양자 모델은 고전적 모델이 재현하지 못하는 실험적으로 관측된 비균일한 비탄성 산란 날개를 성공적으로 설명한다.
• 양자 액체에서의 잠재적 빛 입자는 빙하 네트워크 내에서의 이방성적인 성질을 띠는 양성자 터널링으로 인해 이방성 성질을 띤다.
• 이 연구는 저온에서도 양성자가 단순히 불규칙한 상태가 아니라, 공명적인 양자 상태에서 동적으로 변동함을 보여주는 이론적 프레임워크를 제공한다.