Изучение когерентной прецессии намагниченности в нормальных ферми-жидкостях Заказов, Сергей Рудольфович

Введение к работе

Актуальность темы.

Спиновая динамика сппн-поляризованных ферми-систем язлдетсл интересным предметом исследований, изучению которого было посздще-но большое количество работ. Чистый Не и растворы ³На-⁴Не представляют собой хорошо иззестные объекты для таких исследований. Их поведение при температурах <0.1К и малых спиновых поляризациях описывается теорией ферми-жидкости Ландау [1]. В этой теории важную рель играет взаимодейстзие между квазичастицами, которое опп-сызается с помощью набора феноменологических параметров F'',F', определяемых из эксперимента. Ферми-жидкостное взаимодействие з теории Ландау по-разному проявляет себя в зависимости от соотношения между характерной частотой 'исследуемого явления о] и временем между соударениями квазичастиц Г. В гидродинамическом пределе, при сох«1 , взаимодействие приводит лишь к малым поправкам в динамической восприимчивости системы. Качественно новые свойства фермп-жидкость приобретает в бесстолкновительной области, при сох > 1 .

Как было показано Леггеттом [2], влияние ферми-жидкостного взаимодействия на спиновую динамику может быть описано с помощью введения в уравнения для сг.инового тока J локального молекулярного поля ,а.М .

, _ <лМ

.h=-D_a-—-3,XfiM (1)

av,

здесь J; - ток і-ой компоненты намагниченности, Д) - коэффициент диффузии, ар- коэффициент, определяющий зеличину молекулярного поля.

u = ku)t/(1 + F'/3) , к=—— " , ш = уЯ ,

\+f:

где Т - время между соударениями квазичастиц, у - гиромагнитное отношение для Не, а, Я - внешнее магнитное поле. В (1) М -нормализованная намагниченность так, что |М|=1 в равновесии.

Степень влияния локального молекулярного поля определяется величиной параметра //. Поскольку в ферми-жидкости г пропорционально 1/Т", выполнение условия сот> 1 можно добиться понижением температуры, или повышением частоты исследуемого явления. Для частот и температур, использовавшихся в импульсных ЯМР экспериментах, описываемых в диссертации (ы/2тс=920кГц и Т=1мК) параметр ц принимает значение 7.6 для ³Не и 4.9 для растворов ³Не-'¹Не. Таким образом, эффекты связанные с влиянием локального молекулярного поля становятся существенны з экспериментально достижимой области температур и полей.

Молекулярное поле параллельно локальной намагниченности и, поэтому, не может непосредственно влиять на прецессию намагничен-

ности. Однако, как видно из (1) оно приводит к возникновению дополнительной прецессии спинового тока вокруг направления намагниченности. Такая прецессия, в свою очередь, злияет на распределение намагниченности через уравнение непрерывности.

оМ _лг _

— + —- = Мхш (2)

at ах і

Влияния молекулярного поля на поведение 'намагниченности з фер:.;и-:хидкости, описываемое уравнениями Леггетта (1-2) , приводит к следующим эффектам:

і существованию спиновых (силинских) золн [3]

іі аномальной температурной зависимости коэффициента спиновой диффузии [4]

ііі необычному поведению спинового эха - к существованию многократного эха и к его неэкспоненциальному затуханию [5].

Все эти эффекты наблюдались экспериментально, как в жидком ³Не так и в растворах ³Не-⁴Не (і - [5,6,7], ii - [5,8,9], ііі - [4,9]).

Недавно, в импульсных ЯМР экспериментах, выполненных в разбавленных [10] и насыщенном [11] растворах ³Не-⁴Не было обнаружено необычное поведение сигнала сзободной индукции. В частности, в экспериментах выполненных в [10], был обнаружен сигнал свободной индукции, длительность которого оказалась намного больше (в 10-100 раз), чем следовало бы ожидать из имеющейся величины неоднородности магнитного поля в объёме экспериментальной ячейки. Было обнаружено, также, что частота сигнала индукции меняется со временем [10,11]. Численное- решение уравнений Леггетта, выполненное для объяснения результатов экспериментов [10], показало, что в ненулевом градиенте магнитного поля в замкнутой ячейке формируется структура, в которой намагниченность прецессирует сфазированно. Такая структура состоит из двух доменов, разделённых доменной стенкой. В одном из доменов намагниченность направлена вдоль магнитного поля (параллельный домен), в другом - в противоположном направлении (антипараллельный домен). Перпендикулярная магнитному полю компонента намагниченности находится в области доменной стенки. Енутри доменной стенки намагниченность прецессирует сфазированно в одной плоскости несмотря на неоднородность магнитного поля. При этом перемещение стенки в области ячейки в неоднородном магнитном поле приводит к изменению частоты сигналов ЯМР, а сфази-рованная прецессия в доменной стенке приводит к аномально длинному сигналу индукции.

Модель двухдомённой структуры (ДДС) позволила качественно объяснить результаты экспериментов. Количественное сравнение данных полученных в результате моделирования и данных экспериментов было невозможно из-за сложной геометрии ячеек использовавшихся в экспериментах. Поэтому, вывод о формировании двухдомённой структуры носил предположительный характер и требовал дополнительных доказательств.

Целью диссертационной работы было получение доказательств существования двухдомённой структуры и исследование её свойств.

Основными объектами исследований в экспериментах, вошедших з диссертацию, были чистый ^J.Vs и насыщенный раствор ^JHe-⁴He при давлении насыщенных пароз и температурах 1-1ОмК.

Научная новизна диссертация определяется следующими результатами, полученными в данной работе и выносимыми на зашиту:

1. Доказано, что з растворам ³Нг-^!Н^ в ЯМР экспериментах может формироваться двухдсменная структура, приводящая к долгожизущему сигналу индукции. Исследсзаны свойства этой структуры, ее релаксация и колебания.

2 . Теоретически предсказано и, затем, экспериментально обнаружено существование двухдомекнсй структуры в чистом ^JHe. Выяснены условия её формирования.

1. Показано, что численное решение уравнений Леггетта для импульсного ЯМР даёт хорошее согласие с результатами экспериментов и может быть использовано для предсказания поведения намагниченности ферми-жидкости в ЯМР экспериментах.

2. Как следует из экспериментов, при переходе ³Не з сверхтекучее состояние в диапазоне температур 0 . 95-^1 Г_с может наблюдаться дзух-доменная структура аналогичная той, которая наблюдалась з нормальном ^JHe. Таким образом з сверхтекучей жидкости в области, где спиновые сверхтоки (гоки пропорциональные градиентам параметра порядка) малы, может формироваться ферми-жпдкостнал дзух-доменная структура.

Научное и практическое значение:

Результаты экспериментов, представленные в диссертации, показывают, что в нормальном ''Не и растворах ³Не-'Не в импульсном ЯМР может быть сформирована дзукдоменная структура. Возможность формирования такой структуры необходимо принимать во внимание при проведении низкотемпературных ЯМР экспериментов в услозплх больших градиентов магнитного поля, например, в экспериментах по наблюдению спинового эха.

Двухдоменная структура, соответствует минимуму энергии спиновой системы для данной величины полной продольной намагниченности. Поэтому небольшие возмущения доменной стенки приводят к её колебаниям, частота которых определяется параметром к. Этот эффект может использоваться для определения параметров Ландау ферми-жидкости.

В высокополяризованнсй ферми-жидкости уравнения Леггетта (1), (2) уже неверны и общие уравнения спиновой динамики пока неизвестны. Как следует из экспериментов[10] , в таких системах также может образовываться ДДС. Изучение её свойств может помочь проверить теоретические предположения о спиновой динамике высокополяри-зованных ферми-жидкостей.

Апробация работы.

Научные результаты, составившие оснозу диссертации, докладь вались на семинарах ИФП, а также на следующих научных конференцій

і. Международный симпозиум "Вихри, поверхности и мезоскопичесга-эффекты в квантовых системах". (Ювяскиля, 4-9 июня 1994, Финляь дня) .

2. Конгресс AMPERE. (Казань, 17-25 августа 1994).

3. XXX совещание по физике низки:', температур. (Дубна, 6-8 сентябр 1994) .

4. "Symposium on Quantum Fluids and Solids Quantum Fluids and Sol ids", New York June 13-18, 1995.

Публикации

Содержание материалов диссертации опубликовано в следующи работах:

1. Dmitriev V.V., Moroz V.V., Visotskiy A.S., Zakazov S.R. Experi merits on coherently precessing spin state in 3He-4He solution Physica B, v.210, p.366 (1995).

2. В.В.Дмитриев, С.P.Заказов, В.В.Мороз. Когерентно прецессирующа: структура намагниченности в нормальном ЗНе в импульсном ЯМР Письма s ЖЭТФ, т.61, 309 (1995).

3. Dmitriev V.V., Moroz V.V., Zakazov S.R. Experiments on Ferm: Liquid Domains in Normal and Superfluid ³He. Journal of Low Temperature Physics, v.101, 141 (1995).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения і

списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 8Ї

страницы, включая список литературы из 3 6 наименований. Количестве
графиков и рисунков - 39.