Введение к работе
іктуальность темы. Настоящая диссертационная работа посвящена ис-лелованлю квантовых кристаллов. Этот терыин относится к твердым телам, юмы которых совершают нулевые колебания с амплитудой, сравнимой с ме-;атомным расстоянием. Наиболее ярко квантовые свойства проявляются у ристаллов гелия, в особенности его более легкого изотопа - 3Не. Свойства вантовых кристаллов оказались столь богаты и необычны, что их изучение іакгически превратилось в самостоятельный (и весьма обширный) раздел шзики твердого тела. Этой теме посвяшены десятки обзорных статей и онографпй. Среди наиболее ярких открытий в этой области можно отме-пть обнаружение квантовой диффузии нейтральных примесей в твердом ге-ии, магнитного упорядочения за счет обменного взаимодействия в твердом Йе, кристаллизационных волн на границе раздела сверхтекучая жидкссть-вердое тело, и многих других уникальных макроскопических квантоьых ффектов.
Согласно современным представлениям (см., например, обзор [1]), де-)екти в квантовых кристаллах во многих случаях могут рассматриваться ак делокализоваяные квазичастицы. Так, вакансии в твердом гелии имеют пектр, аналогичный спектру дырки в полупроводнике, а их подвижность есьма высока. Равновесные вакансии, концентрация которых достаточно елика при относительно высоких температурах, определяют целый ряд войств кристалла: диффузию заряженных и нейтральных примесей, те-лоемкость, магнитные (в случае 3Не) свойства.
Особый интерес представляет поведение заряженных частиц в твердом гели. Подвижность электронов и ионов Не+ весьма подробно исследовалась с омощью время-пролетной методики. В обоих случаях подвижность экспо-енппально падает с понижением температуры, причем энергия активации лизха к энергии активации для диффузии нейтральных примесей в высо-отемпературной области. Это совпадение принято интерпретировать как видетельство универсального вакансионного механизма диффузии лриме-ей в кристаллах гелия. Квантовая диффузия заряженных частиц в гелии :е наблюдалась.
Хотя движение примесей в твердом гелии исследуется с начала 60-х годов, опрос о микроскопической структуре дефектов, особенно структуре окружения заряженных примесей, остается открытым. Несмотря на достаточно азвитую систему теоретических представлений, отсутствие прямых экспе-иментов не позволяет сделать какие-либо определенные выводы об указаний структуре. Неизвестно также, каким образом наряженная частила вли-ет на свойства кристалла в ее непосредственной близости (частоту ешгао-ого обмена, диффузию нейтральных примесей, движение вакансий и т.п.).
Мюонный метод, как нельзя лучше приспособленный для изучения ло
кального окружения заряженной частицы, до сих пор не применялся дл
исследования кристаллов гелия из-за технической трудности такого экспе
римента (в первую очередь, проблемы связаны с необходимостью сочетани
давления в несколько десятков атмосфер и тонкого входного окна плотно
стью pi не более 40-50 «г/см2). Помимо приведенных выше соображений
интерес к /iSR-экспериментам в твердом гелии объясняется следующим об
стоятельством. Масса мюока (р4), как известно, в 30-40 раз меньше массі
иона Не+, и, кроме того, он представляет собой примесь внедрения, а н
замещения. По указанным причинам характер диффузии положитольног
мюона может оказаться принципиально другим, чем для ионов гелия. Диф
фузия положительных мюонов (если она имеет место) также может быт
эффективно изучена методом /jSR. .
Как известно, имплантация положительных мюонов в исследуемое всше ство может сопровождаться образованием атома мюония Mu = ц+е~. Про десс образования Ми представляет большой самостоятельный иніерес, яи ляясь важным аспектом физики взаимодействия частиц высоких и средни энергий с веществом. Обзор этой темы выходит за рамки настоящей работы однако само явление оказалось весьма существенным для настоящей раб оті по двум причинам. Во-первых, процесс образования мюония з конденси рованных телах во многих случаях (в том числе, как показано в главе II] в конденсированных гелии и неоне) определяется не химическими реакца ями высокоэнергичной частицы, а макроскопическими свойствами вещества в частности подвижностью инжектированных заряженных примесей. Во вторых, процесс формирования Ми протекает с частичной потерей мюое ной спиновой поляризации. Поэтому знание механизма и типичных време образования мюония необходимо для интерпретации наблюдаемой релаксг шш спина [і+ в любом диэлектрике, в твердом гелии в том числе. Таки: образом, выявление общих закономерностей процесса образования мюони в конденсированных средах, не являясь основной целью диссертации, стал ее важной составной частью. Наиболее подходящим объектом для pemt ния этой задачи явились конденсированные благородные газы, электронны свойства которых изучены весьма подробно как теоретически, гак и эксп* рнмснтадьно.
Перечисленные соображения определили основные задачи, которые прех полагалось редгить в рамках настоящей диссертационной работы.
Дели исследования
1. Изучение основних закономерностей процесса образования мюония жидком и твердом неоне с использованием внешнего электрическог поля.
!. Разработка методики и изготовление оборудования для проведения мюонных исследований жидкого и твердого гелия при температурах до 0.4 К и давлениях до 100 аты с возможностью создания электрического поля в объеме образца.
I. Изучение влияния молярного объема на процесс формирования мюония в жидком 3Не и 4Не в диапазоне давлений 0-70 атм.
:. Исследование температурной зависимости скорости деполяризации мюонов в твердом 4Не и 3Не в широком интервале их молярных объемов и в различных магнитных полях при температурах от 0.4 К до точки плавления с целью определения кинетики легкой заряженной частицы в квантовом кристалле, а также изучения влияния заряженного дефекта на свойства самого кристалла.
. Выяснение характера возможного влияния внешнего электрического поля на релаксацию мюонного спина в твердом гелии; разделение влияния магнитных и электрических взаимодействий на деполяризацию.
аучная новизна настоящей работы определяется следующим:
. Изучен процесс формирования мюония в конденсированном неоне и гелии при различных молярных объемах. На основе проведенных исследований сформулированы основные закономерности, определяющие образования мюония в широком классе веществ.
. Впервые проведены /iSR-исследования твердого 3Не и 4Не. Обнаружен ряд принципиально новых эффектов, происхождение которых связано с квантовыми свойствами кристаллов гелия (в том числе, специфическая температурная зависимость скорости деполяризации мюонов и ее возрастание под действием внешнего электрического поля).
: Дан анализ полученной экспериментально наблюдаемых закономерностей уюонной релаксации. Обсуждены возможные механизмы зависимостей скорости релаксации от температуры, магнитного и электрического полей. Предложена модель, связывающая наблюдаемые эффекты с макроскопическими свойствами квантовых кристаллов.
іучно-практическал ценность работы состоит в осуществлении сле-ощих оригинальных методических разработок:
Создано оригинальное криогенное оборудование, позволяющее выращивать кристаллы гелия под давлением до 100 атм и исследовать их методом /jSR при температурах до 0.4 К в электрических полях до 2 кВ/см. Закрепление стартового счетчика на азотном экране криостата, которое
полностью устранило фон "паразитных" остановок мюонов в конструкционных материалах, и ряд других оригинальных технических решений позволили впервые провести мюонные исследования твердого 4Не и 3Не.
Изготовлена специальная экспериментальная камера для мюонных исследований конденсированных газов на фазотроне ОИЯИ с испо.гл>зо-ванием высоких электрических полей. Конструкция камеры позволила избежать захвата заряженных частиц, образующихся при разделении трека мюона, на поверхностях, соприкасающихся с образцом. Таким образом, устранена систематическая ошибка, связанная с создаваемыми такими зарядами паразитными электрическими полями.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Образование мюония в жидком и тзердом неоне, а также в жидком гелии при различных молярных объемах происходит в результате рекомбинации термализованных мюона и электрона. Скорость и характер процесса формирования Ми зависят от подвижности заряженных частиц в среде. Так, малое время образования мюония в твердом неоне определяется высокой подвижностью избыточных электронов в зоне проводимости. Основные особенности процесса образования мюония, в том числе анизотропия распределения мюон-электронных пар, рекомЗинпруюших с образованием Ми, оказываются универсальными для всех исследованных вешеств.
-
Создано уникальное криогенное оборудование, позволившее впервые провести мюонные исследования твердого гелия.
-
Происхождение мюонной релаксации в твердом гелии связано исключительно с диполь-дипольным взаимодействием мюона и ядер атомов Не. В твердом 4Не, ядра которого не обладают магнитным моментом, диамагнитная фракция (/і+) составляет 100 %, а скорость релаксации мюонного спина Л предельно мала и составляет 0.002(2) мкс~\ Таким образом, твердый гелии является единственным из исследованных до сих пор диэлектриков, где эффекты типа образования мюония и химических реакций мюона на "горячей" стадии не оказывают влияния на поляризацию /і+.
-
Скорость релаксации спина /х+ в твердом 3Не имеет немонотонную зависимость or температуры. Наблюдаемое сужение линии не может быть объяснено прыжковым движением /і+, аналогичным движению ионог. Не+ и электронов, наблюдавшемуся во время-пролетных экспериментах.
Обработка магнитополевых зависимостей скорости деполяризации \(Н,Т) в предположении о динамическом сужении линии приводит к выводу о температурно-зависящем локальном поле на мюоне Ніх и слабой зависимости корреляционного времена от Т.
Обнаружено возрастание скорости деполяризации при низких температурах под действием внешнего электрического поля. Показано, что этот эффект имеет принципиально иную природу, чем в жидком гелии и твердом неоне, и не имеет отношения к взаимодействию мюона с частицами трека. Таким образом, обнаружено новое физическое явление, происхождение которого, по-видимому, связано с деформаппей кристалла вокруг заряженного fi+, вызываемой приложением электрического поля.
Наблюдаемые особенности релаксации могут быть объяснены переходом мюона из междоузлия в вакантный узел кристаллической решетки. Такой процесс оказывается возможным благодаря высокому коэффициенту диффузии вакансий.
іробация работы. Результаты исследований, составивших содержание :сертации, были представлены на ряде конференций:
VI Международная /jSR-конференция, США, Мауи, 1993 г.
XX Международная конференция по физике низких температур, США, Юджин, 1993 г.
III Международный симпозиум по взаимодействию мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1994 г.
X Международная конференция по сверхтонким взаимодействиям, Бельгия, Лёйвен, 1995 г.
бликации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 пе-ных работах. Список статей приведен в конце автореферата.
руктура и объем диссертации. Диссерташи состоит из введения, тап. заключения и списка лпгерагуры, содержит 111 страниц маиганопи-го текста, включая 25 рисунков и 8 таблиц. Библиография содержит 111 іменований.
