Введение к работе
. Актуальность темы определяют многие как чисто научные, так и "прикладные" соображения. Уникальность и привлекательность твердого молекулярного водорода (Hi) как объекта исследований — очевидны. Водород является элементом №1 в Периодической таблице Менделеева и самым распространенным химическим элементом во Вселенной. Хотя в кристаллической модификации молекулярный водород и не существует на Земле в обычных условиях, можно упомянуть его возможные "земные" приложения в таких прикладных областях, как криогенная и космическая техника; кроме того, предполагается, что твердый водород может существовать на больших планетах Солнечной системы.
С другой стороны, молекула Hi - это простейшая двухатомная молекула, в наибольшей мере доступная для проведения первопринципных расчётов ей свойств. Эта доступность отчасти распространяется и на твердый молекулярный водород, являющийся единственным молекулярным квантовым кристаллом, причём таким, в котором учет квантовых свойств существенен при анализе как поступательного, так и вращательного движений. В одном из обзоров, посвященных, твёрдому #2, высказывалось предположение о том, что твердому молекулярному водороду, возможно, суждено сыграть в физике твёрдого тела роль аналогичную той, которую играл атом водорода при становлении атомной физики с начала XX века [1].Молекулы #2, когда они образуют кристалл, сохраняют многие характеристики, присущие свободным молекулам. Их состояние по-прежнему описывается квантовым числом / — величиной орбитального момента. Сохраняется и возможность их классификации по пара- и орто-состояниям. Пара-водород (р-Нз), исследованиям которого посвящена большая часть этой работы, — это термодинамически устойчивая при низких температурах модификация с нулевым ядерным спином молекулы /=0 и четными J; при низких температурах молекулы с большой точностью сферически симметричны. Малость массы и слабость взаимодействия молекул обусловливают большие амплитуды их нулевых колебаний. Как следствие - квантовый кристалл оказывается сильно "раздутым", а колебания молекул характеризуются настолько большим энгармонизмом, что гармонические расчёты не могут объяснить даже существование кристалла.
Под давлением, среди прочих параметров, изменяется и "квантовость" кристалла, т^е. масштаб проявления специфических свойств, присущих именно квантовым кристаллам. При этом в силу большой сжимаемости Н% появляется возможность, по сути, вместо малого набора существующих в природе квантовых кристаллов иметь дело с "континуумом" таких кристаллов с непрерывно меняющимися квантовыми параметрами. На сегодняшний день впечатляющие результаты при сжатии в алмазных наковальнях при наибольших давлениях [2,3] получались с применением достаточно малого набора методов исследований, и поэтому они сосуществуют бок о бок с очевидной скудностью имеющихся ответов на многие фундаментальные вопросы, относящиеся к динамике кристаллической решетки молекулярного водорода, наиболее полная и детальная информация о которой может быть получена, как известно, с помощью рассеяния нейтронов. Чтобы утолить жажду ответов, проистекающую из этой их скудности, начиная с 60-х годов ставились различные нейтронные эксперименты, но их результаты в том, что касается динамики кристаллической решетки, оставались фрагментарными, зачастую не согласующимися между собой; и относились они в большинстве своём к Р=0.
Своеобразны законы рассеяния нейтронов молекулой Нг в твердом теле: молекула обладает внутренними степенями свободы, энергии возбуждения которых имеют одинаковый порядок величины с характерными энергиями фононов в кристалле (энергия нулевых колебаний частиц остается соизмеримой с энергией их взаимодействия в весьма широком диапазоне давлений); кроме того, необходимо при рассмотрении процессов рассеяния нейтронов явным образом учитывать корреляции между спинами протонов; в-третьих, из-за большого энгармонизма колебаний молекул даже при самых низких температурах, меняется физический смысл ряда понятий, например, функции плотности фононных состояний должна уже пониматься как обобщённая функция плотности фононных состояний. Нетривиальность свойств исследуемой системы накладывается на нетривиальность взаимодействия нейтрона с ней. В случае Нг неприменимы или трудно применимы в многие обычные методы расчёта динамики решётки; с другой стороны, методы, проверенные на квантовых кристаллах, не раз распространялись затем на менее квантовые, но составленные из более сложных молекул, системы. Экспериментально не изученными к началу этой работы оказались многие свойства Я2; под давлением - особенно. Цель работы.
Целью этой работы было — использовать данные комбинированных нейтронных экспериментов, которые включали в себя измерения спектров дифракции, спектров неупругого некогерентного рассеяния и спектров пропускания нейтронов (из последних определялись зависимости полных сечений взаимодействия нейтронов с молекулами водорода от энергии) — для получения различной информации о динамике кристаллической решётки молекулярного Н2 в большом диапазоне давлений (фактически для почти двукратного изменения плотности). Научная новизна работы.
-
Впервые исследования неупругого рассеяния нейтронов в квантовом кристалле выполнены в таком диапазоне давлений, где его плотность меняется почти вдвое.
-
Разработана методика, в рамках которой три типа нейтронных экспериментов (дифракция, неупругое рассеяние, пропускание нейтронов) ставились одновременно на одном образце под давлением, при низких температурах.
-
Анализ нейтронографических данных производился на основе специального алгоритма, в котором использовались существенным образом, наряду со спектрами неупругого некогерентного рассеяния нейтронов, данные о полных сечениях взаимодействия нейтронов с молекулой в кристалле.
-
Определён вид обобщённой ангармонической функции плотности фононных состояний молекулярного водорода (под давлением—впервые).
-
Определены зависимости от давления ряда важных интегральных параметров функции плотности фононных состояний твёрдого водорода Для некоторых параметров это сделано впервые; для средней одночастичной кинетической энергии молекул диапазон плотностей, в котором имелись экспериментальные данные, расширен в 2,6 раза.
-
Обнаружена особенность на зависимости средней одночастичной кинетической энергии молекул Нг от плотности, которая может указывать либо на неточность существующих теоретических представлений о потенциале межмолекулярного взаимодействия, либо на происходящую под давлением перестройку основного состояния кристалла.
-
На основе несложной модели и с привлечением нейтронных данных, полученных для водорода, проанализировано поведение под давлением набора параметров,
могущих характеризовать ангармонизм колебаний молекул, а также свойство "квантовости" кристалла; и на основе этого описания могут быть оценены, в частности, значения некоторых характеристик энгармонизма под давлением в других криокристаллах, для которых экспериментальные данные отсутствуют. Практическая значимость работы.
Практическая значимость данной работы, в основном, видимо, лежит в сфере использования ей результатов для лучшего понимания разнообразных фундаментальных свойств динамики квантовых кристаллов и межмолекулярных взаимодействий в них. Квантовые кристаллы - это во многих отношениях особое состояние материи, которому присущи уникальные свойства Водород не раз оказывался пробным, камнем для различных физических теорий, и полученные результаты, возможно, будут использованы для уточнения параметров при построения моделей молекулярных кристаллов, моделей произвольных ангармонических решёток, моделей больших планет в астрофизике, для выяснения природы экзотических фазовых переходов, наблюдающихся в кристаллическом Нг при экстремальных давлениях, а также в связи с известной проблемой его возможной металлизации и т.д. Из практических "в узком смысле" приложений можно назвать использование твердого #2 в качестве хпадоагента или топлива для космической техники, где также могут быть востребованы в качестве табличных данных полученные здесь параметры. Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертационную работу докладывались и обсуждались, в частности, на следующих научных конференциях и совещаниях:
на совещании-семинаре по физике криокристаллов и диффузионному массе-переносу (Алма-Ата, 1989);
на VTJ Республиканском совещании "Криокристаллы и квантовые кристаллы" (Донецк, 1991);
на ХП (Гатчина, 1991) и ХШ (Гатчина-Зеленогорск, 1995) Совещаниях'по использованию нейтронов в физике твердого тела;
на XV научном семинаре 'Влияние высоких давлений на вещество" (Киев, 1993);
* на Международном семинаре "Neutron scattering at high pressure" (Дубна, 1994)
» на Международной конференции "The current state and future of high pressure
physics" (Троицк, 1995);
на Первой Европейской конференции по рассеянию нейтронов - ECNS'96 (Interlake, Швейцария, 1996);
на Второй Международной конференции "Криокристаллы и квантовые кристаллы" - CRYOCRYSTALS'97 (Вроцлав, Польша, 1997);
'«' на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов - РСНЭ'97 (Дубна, 1997).
Публикации.
Материалы, вошедшие в диссертацию, в основном, были опубликованы в 9 печатных
работах, которые перечислены в конце автореферата.
Объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, раздела "Заключение", списка
цитированной литературы. Объём диссертации составляет 116 страниц; она содержит
36 рисунков и 3 таблицы. Библиография - 137 названий.
На защиту выносятся следующие результаты и положения.
-
Разработка экспериментальной методики, и проведение трёх типов нейтронографических экспериментов на твёрдомр-Н2 под давлением до 1,06 ГПа.
-
Создание специальной процедуры совместной обработки данных по неупругому некогерентному рассеянию нейтронов и по пропусканию нейтронов; определение (в диапазоне почти двукратного изменения плотности кристалла) обобщённой ангармонической функции плотности фононных состояний g(s) ДПЯ/>-#2.
-
Нахождение интегральных параметров фононного спектра р-Нг (среднеквадратичных смещений, средней кинетической энергии молекул, температуры Дебая, моментов функции g(s)) под давлением.
-
Измерения микро- и макроплотности р-Н2 под давлением на одном образце.
-
Изучение на основе простой модели (и с использоваїшем экспериментальных результатов) количественных характеристики энгармонизма в квантовом кристалле Р-Нг.
