[论文解读] 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

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本文利用经典与量子模型研究了六方冰（Ih）中的质子无序现象，表明量子隧穿效应可引发集体质子涨落，形成具有涌现光子样激发态的量子液体。该研究通过量子效应解释了实验中观测到的非相干非弹性中子散射尾翼，表明质子在低温下仍因量子涨落而保持动态无序。

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.

研究动机与目标

• 理解量子效应在六方水冰（Ih）质子无序中的作用，Ih是一种典型的几何阻挫体系。
• 确定量子涨落是否可在经典无序之外稳定一种量子液体相。
• 将近期中子散射实验中观测到的异常非相干散射尾翼与质子动力学的量子力学模型相协调。
• 为区分冰中经典与量子行为的散射实验提供理论预测。

提出的方法

• 结合数值模拟与解析技术，研究Ih冰中质子构型的经典与量子模型。
• 在经典与量子框架中均应用冰规则的PauIing模型，以施加局部质子约束。
• 使用量子多体技术，模拟质子在氢键间的集体隧穿行为。
• 分析散射响应函数，以预测中子散射实验中的可观测特征。
• 推导出由质子液体中量子涨落产生的双折射、光子样激发态的涌现。
• 将经典预测（奇异的针状点与非对称特征）与量子预测的非相干散射尾翼进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰Ih中质子的量子隧穿是否可导致一种与经典无序不同的相干、集体量子态？
• RQ2 与经典预期相比，量子涨落如何改变中子散射实验中的散射响应？
• RQ3 在冰中质子无序系统中，涌现激发态的本质是什么？
• RQ4 多大程度上可由质子动力学的量子模型解释冰中观测到的非相干非弹性散射尾翼？
• RQ5 哪些实验特征可区分经典质子无序态与质子量子液体？

主要发现

• 冰Ih中的经典质子无序产生两种不同的散射特征：由均匀极化约束引起的奇异针状点，以及由交错极化引起的宽广且非对称的特征。
• 量子效应使质子实现集体隧穿，形成具有涌现的、双折射的、光子样激发态的量子液体相。
• 该量子模型成功解释了中子散射实验中观测到的非相干非弹性散射尾翼，而经典模型无法重现这一现象。
• 量子液体中涌现的光子由于冰网络中质子隧穿的各向异性特性，被预测表现出双折射。
• 本研究提供了一个理论框架，表明冰中的质子在低温下仍保持动态涨落，不仅处于无序状态，更处于一种相干的量子态。