六方水冰中质子无序的经典与量子理论

自 Bernal、Fowler 与 Pauling 的开创性工作以来，人们便已知常见的六方(Ih)水冰是一种阻挫材料原型：一种质子键合网络，其中质子满足强局部约束——即“冰规则”——但不有序。尽管这种质子无序已得到充分确立，但现有越来越多的证据表明量子效应也可能在低温冰的物理中发挥作用。本文中，我们结合数值与解析技术，探索冰Ih的经典与量子模型中质子关联的本质。对于经典冰Ih，我们发现冰规则对散射实验有两个截然不同的后果——奇异的“捏点”，反映晶体均匀极化的零散度条件；以及宽泛的非对称特征，源自其交错极化。对于量子模型，我们发现质子群的集体量子隧穿可将服从冰规则的状态转换为一种量子液体，其激发是双折射的、演生的光子。我们对经典与量子冰Ih的散射实验给出了明确预测，并展示了该量子理论如何解释近期中子散射实验[Bove et al., Phys. Rev. Lett. 103, 165901 (2009)]中观测到的非相干非弹性散射的“翼”。这些结果提出了一种引人入胜的可能性：冰Ih中的质子在低温下可形成量子液体，其中质子不仅无序，而且持续在不同服从冰规则的结构之间涨落。