自旋冰中的涌现电化学:德拜-休克尔理论及其超越

用其分数化磁单极子激发的库仑流体来描述偶极自旋冰的低温图像,已在远超其原始微观自旋描述的分析与概念进展中发挥作用。在此,我们将其作为“磁电解质”(magnetolyte)——一种含单电荷与双电荷单极子的流体,类比于电化学系统 ${\rm 2 H_2O = H_3O^+ +OH^- = H_4O^{2+} + O^{2-}}$,但在带相反电荷离子间具有完美对称性——发展其热力学处理。对于这一晶格磁电解质,我们给出了基于德拜-休克尔(Debye-Hückel)理论的分析,该理论在所有温度下均准确,并在 Pauling 近似层面上纳入了由微观冰规则约束所施加的“狄拉克弦”。我们的结果与数值模拟的比热以及我们在此给出的、带有改进晶格修正的自旋冰材料 $\mathrm{Ho_2Ti_2O_7}$ 和 $\mathrm{Dy_2Ti_2O_7}$ 的新实验测量密切吻合。我们对磁电解质的研究展示了电化学如何在不带电系统中涌现。我们还提供了对德拜-休克尔理论及其扩展的新实验检验。我们结果的应用也增进了对水冰和液态水的电化学行为的理解,它们与自旋冰磁电解质密切相关。