Введение к работе
Актуальность темы.
Описание колебательных свойств атомов в кристаллической решетке в гармоническом приближении является неполным и не может объяснить многие свойства реальных материалов, поэтому изучение эффектов ангармонизма началось вместе с развитием теории кристаллической решетки.
Особенно велика роль эффектов ангармонизма в процессах, связанных с потерей стабильности материалов - плавлении и структурных фазовых переходах. В окрестностях фазовых переходов свойства кристаллов нелинейны и экстремальны, и их исследование имеет чрезвычайно большое значение не только для фундаментальной, но и для прикладной науки. Предложенная на рубеже 60-х годов гипотеза об определяющей роли "мягкой" моды в фазовых переходах типа смещения оказалась исключительно плодотворной при теоретическом изучении этой проблемы и показала особую роль ангармонизма выделенных фононных мод в формировании макроскопических свойств кристаллов. Появившиеся в последние годы первопринщшные расчеты решеточного потенциала для нестабильных колебательных мод методом замороженных фононов привели к новым результатам, требующим тщательного анализа и физической интерпретации.
Роль ангармонизма квазилокальных и локальных мод, связанных с колебаниями дефектов ("локального" ангармонизма), особенно велика в том случае, если они могут диффундировать в кристалле. Очевидно, что нелинейность колебаний диффундирующих атомов гораздо больше, чем атомов матрицы. Наиболее ярко эффекты ангармонизма квазилокальных мод должны проявляться в аморфных материалах. Низкотемпературные свойства этих метастабильных систем имеют аномальную зависимость от температуры и времени релаксации. Общепризнанное наличие в них туннельных состояний и процессов релаксации требует обязательного учета ангармонизма колебаний мягких квазилокальных мод.
Существенным для описания решеточных свойств сильноанизотропных систем является учет ангармонизма изгибных колебаний, ответственных за аномальное поведение коэффициента тепло-
вого расширения, который может быть отрицательным и большим по абсолютной величине в области низких температур. Необходимо отметить, что проблема теоретического описания динамических свойств сильноализотропных (квазиодномерных и квазидвумерных) систем, находящих все более широкое применение в науке и технике, не получила еще полного разрешения даже в гармоническом приближении. Таким образом, проблема теоретического исследования влияния ангармонизма отдельных колебательных мод на макроскопические свойства перспективных материалов в настоящее время является весьма актуальной.
Целью работы явилось; - разработка метода для описания динамики выделенной ангармонической колебательной моды, взаимодействующей с фононным полем;
изучение развития неустойчивости в системах вблизи мартен-ситного перехода;
исследование динамики неупорядоченной системы с учетом структурного и динамического беспорядка;
создание микроскопической модели для описания динамических свойств аморфных диэлектриков и вычисление их термодинамических и кинетических свойств в широком температурном интервале;
изучение особенностей динамики идеальных и неупорядоченных сильноанизотропных систем.
Научная новизна. В работе развивается метод описания динамических свойств ангармонической моды, взаимодействующей с термостатом (фононным полем), в котором учитывается отклонение тепловой энергии осциллятора от ее среднего значения. В случае многоямного потенциала для рассматриваемой колебательной моды ее плотность колебательных состояний имеет тонкую структуру с нетривиальной зависимостью от температуры и массы осциллятора. Использование предлагаемого метода для теоретического описания изотопического сдвига температуры сверхпроводящего перехода и развития динамической неустойчивости в системах, претерпевающих мартенситный фазовый переход, показало определяющую роль в этих явлениях флук-
туаций тепловой энергии ангармонического осциллятора. Показано, что энгармонизм квазилокализованных дефектных и фононних мод приводит к аномальной температурной зависимости динамических и транспортных свойств неупорядоченных и сильноанизотропных кристаллов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Разработан оригинальный метод (модифицированное псевдогармоническое приближение) для теоретического описания температурной зависимости динамических свойств выделенной ангармонической колебательной моды, взаимодействующей с фононним полем, который позволяет описать собственное ангармоническое уширение и тонкую структуру плотности колебательных состояний ангармонического осциллятора, находящегося в двухъямном потенциале.
Проведенное исследование влияния ангармонизма на изотопический сдвиг температуры сверхпроводящего перехода показало, что при учете ангармонизма изотопический фактор может изменяться в широком интервале, принимая как положительные, так и отрицательные значения.
Теоретически рассчитанная температурная зависимость спектра однофононного неупругого рассеяния поперечного ЛГ-фонона О ЦК циркония, решеточный потенциал для которого был получен методом замороженных фононов из первых принципов, позволила дать интересную интерпретацию развития структурной неустойчивости в этой системе.
Предложена решеточная модель аморфного состояния, характерным параметром которой является функция распределения по низкочастотным резонансным и высокочастотным локальным модам. Вид этой функции находится из сравнения с экспериментом по неупругому рассеянию нейтронов.
Разработана модель, позволяющая описать необратимые процессы релаксации, происходящие в аморфных материалах, которые приводят к изменению плотности колебательных состояний системы.
Получены общие выражения для коэффициента диффузии фо-
нонов и теплопроводности с учетом слабой локализации и динамических корреляций между областями возмущения в системах с диагональным и недиагональным беспорядком. Исследованы условия, при которых эти эффекты могут дать существенный вклад в решеточную теплопроводность неупорядоченных систем.
Показано, что ангармонизм колебаний дефектов приводит к аномальной температурной зависимости фононной теплопроводности неупорядоченных кристаллов в случае кроссового расщепления спектра.
Впервые в рамках единого подхода в решеточной модели аморфного состояния описана зависимость теплоемкости, теплопроводности и скорости звука в аморфных диэлектриках в широком температурном интервале.
Описано аномальное низкотемпературное поведение недавно синтезированной новой фазы углерода - карболайта. Показано, что наблюдаемая температурная зависимость является следствием нелинейного закона дисперсии изгибных фононов, что указывает на его квазиодномерность.
Проведенное исследование фонон-фононного взаимодействия и теплопроводности в зависимости от анизотропии квазидвумерных кристаллов показало, что одной из причин максимума на температурной зависимости теплоемкости новых сверхпроводящих систем и их диэлектрических аналогов является анизотропия фонон-фононного взаимодействия.
Показано, что точечные дефекты, изменяющие минимальный модуль сдвига цепных систем, определяют стабильность сильноанизотропных систем, приводя к аномальной концентрационной зависимости их низкотемпературной теплоемкости.
Научная и практическая значимость диссертации определяется прежде всего тем, что ее положения и выводы вносят вклад в развитие физических представлений об особенностях формирования динамических и транспортных свойств сильно ангармонических кристаллических и аморфных твердых тел.
Проведенные теоретические исследования динамики ангармонической колебательной моды, взаимодействующей с термоста-
том, позволяют дать простую интерпретацию большого количества экспериментальных данных и понять роль ангармонизма выделенных колебательных мод (как фононных, так и квазилокали-зованных дефектных) в формировании макроскопических свойств реальных систем. Полученные результаты объясняют ряд известных явлений и стимулируют постановку новых экспериментов.
Предлагаемые методы и результаты применимы для описания широкого круга явлений, связанных с динамическими и транспортными свойствами ангармонических систем.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на: Международной конференции по диффузии и дефектам в кристаллах, июль 1991;
I Российской XXX Совещании по физике низких температур, Дубна, сентябрь 1994;
Международной конференции "Криокристаллы-95", Алма-Ата, сентябрь 1995;
Всероссийских школах-симпозиумах "Коуровка-96", "Коуровка-98";
23 Международной конференции по углероду, Пенсильвания, США, июль 1997;
Семинарах в Физико-техническом институте низких температур им. Б.И.Веркина (Харьков, Украина), Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), РНЦ "Курчатовский институт" (Москва), Институте Физики твердого тела РАН (Черноголовка), Институте радиотехники и электроники РАН (Москва), Физико-техническом институте УрО РАН (Ижевск).
Публикации. Основные результаты содержатся в 24 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 217 наименований. Общий объем работы составляет 281 страницу, включая 61 рисунок.
