ЯМР-исследования изотопического фазового разделения и релаксационных процессов в твердых растворах 3Не-4Не при сверхнизких температурах Шварц, Владимир Александрович

Введение к работе

Актуальность. В последнее время в области фундаментальных физических исследований, находящейся на стыке физики низких температур и физики твердого тела, сформировалось и активно развивается новое актуальное направление, связанное с изучением квантовых кристаллов, наиболее яркими представителями которых являются твердые фазы изотопов гелия ³Не и ⁴Не, а также их растворы.

Пионерские эксперименты по изучению кинетических процессов в твердых растворах ³Не-⁴Не, проведенные ранее в ФТИНТ НАН Украины, позволили зарегистрировать принципиально новое явление - квантовую диффузию ³Не в матрице ⁴Не, обнаружить при определенных условиях самолокалнзацию примесных атомов ³Не, а также идентифицировать новую фазу с квазиодномерными и квазижидкостными свойствами.

Среди большого круга интересных явлений в твердых растворах ³Не-⁴Не наименее изученным до настоящего времени является изотопическое фазовое разделение - фазовый переход 1-го рода, в результате которого образуется необычная система, представляющая собой при сверхнизких температурах практически чистый дисперсный ³Не в матрице ⁴Не.

Изучение кинетики изотопического фазового разделения ранее носило лиигь качественный характер, при этом не бьпи проведены систематические исследования механизмов роста концентрированной фазы в процессе перехода. Несмотря на большое количество экспериментальных работ, посвященных изучению равновесных фазовых диаграмм в области существования указанного явления, для достаточно разбавленных растворов ³Не-⁴Не отсутствовали данные о полонений равновесной линии разделения, а существующие теоретические модели не были сопоставлены с экспериментом. Все это сильно затрудняло выяснение условий образования и стабилизации концентрированной фазы ³Не с заданными свойствами в матрице ⁴Не. В углублённом изучении нуждались также наблюдённые ранее аномалия магнитной восприимчивости и особенности процессов магнитной релаксации в этой новой квантовой системе, где при сверхнизких температурах ожидается переход в магнитоупорядоченное состояние.

Все вышеперечисленное определяет актуальность данной работы, целью которой является:

1. Исследование кинетики роста включений концентрированной фазы в процессе изотопического фазового разделения ГПУ растворов ³Не в ⁴Не в области малых концентраций.

2. Построение равновесной фазовой диаграммы разбавленных растворов в области изотопического разделения и анализ полученных данных в рамках существующих теоретических моделей.

3. Изучение температурной зависимости магнитной восприимчивости и времен магнитной релаксации во включениях концентрированной фазы, образованной в результате распада ГПУ раствора с исходной концентрацией 3 % ³Не, при сверхнизких температурах (Т < 100 мК).

Научная новизна. Впервые созданы экспериментальные условия, когда рост концентрированной фазы при изотопическом разделении твердых растворов ³Не -⁴Не происходит при доминирующем влиянии массовой квантовой диффузии, что приводит к ускорению фазового перехода с понижением температуры.

Реализован также новый метод построения равновесной фазовой диаграммы в области малых концентраций ³Не, основанный на различии времен спин-решеточной релаксации в дочерних фазах. Впервые экспериментально установлено влияние различия в симметрии решеток сосуществующих фаз на положение равновесной линии разделения.

Достоверность результатов диссертации подтверждается:

тщательным анализом возможных погрешностей измерений и приборных эффектов;

адекватностью используемых экспериментальных методик, которые проверялись с помощью специальных калибровочных измерений либо сравнением с данными, полученными независимыми методами;

воспроизводимостью данных, полученных на различных образцах при одинаковых исходных условиях;

согласием полученных данных с результатами экспериментальных и теоретических исследований других авторов

Научное и практическое значение настоящей работы состоит в получении новых результатов, относящихся к термодинамическим и кинетическим свойствам реальных растворов в области

проявления квантовых эффектов

Разработанные в ходе выполнения диссертационной работы оригинальные технологии и конструктивные решения, применённые в рефрижераторе ядерного размагничивания, могут быть использованы при проектировании и изготовлении аналогичного оборудования для физических исследований при низких и сверхнизких температурах.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Новые экспериментальные результаты по кинетике изотопиче
ского фазоього разделения ГПУ растворов ³Не - ⁴Не с исходной
концентрацией 3,18 % ³Не при давлении 3,7 МПа:

обнаружение уменьшения характерного времени распада при понижении температуры;

ускорение фазового перехода при понижении концентрации ³Не в разбавленной фазе, что рассматривается как свидетельство доминирующего влияния квантовой диффузии на процесс роста концентрированной фазы;

в получение ЯМР-данных о характерном времени распада, согласующихся с результатами измерений давления при постоянном объеме.

2. Построение равновесной фазовой диаграммы твердых растворов ³Не-⁴Не в области концентраций 0,1-1% ³Не при давлении 3,7 МПа и возможность описания полученных данных в рамках теории регулярных растворов Эдвардса-Балибара, учитывающей различную симметрию решеток образовавшихся фаз.

3. Новые экспериментальные данные в области температур 1-100 мК при давлении 3,7 МПа о свойствах концентрированной фазы, образованной в результате распада раствора с исходной концентрацией 3,18 % ³Не:

о температурной зависимости-магнитной восприимчивости;

в о температурной зависимости времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации;

« о коэффициенте спиновой диффузии.

4.Экспериментальное доказательство образования в распавшемся твердом растворе с начальной концентрацией 3,18 % концентрированной фазы, близкой по своим свойствам к массивной ОІДК фазе чистого ⁵Не.

5. Разработка рефрижератора ядерного размагничивания с автоматизированной системой управления, сбора и обработки дан-

ных, что позволило качественно улучшить эффективность проводимых измерений при сверхнизких температурах.

Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад в разработку и создание экспериментальной базы данной работы -уникального рефрижератора с ядерным размагничиванием для проведения физических исследований квантовых кристаллов при температурах вплоть до 1 мК. Все приведенные в работе физические результаты получены либо самим автором, либо в коллективе, где ему принадлежит решающая роль в формулировке задачи, постановке и проведении экспериментов, обработке и интерпретации результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных конференциях по физике низких температур (LT-19, Сассекс, Великобритания, 1990 г.; НТ-26, Донецк, Украина, 1990 г.; НТ-30, Дубна, Россия, 1994 г.), на Международном симпозиуме по квантовым жидкостям и кристаллам ( Итака, США, 1995 г.), на Всесоюзном семинаре по физике и технике сверхнизких температур (Алушта, СССР, 1991 г.), Международной конференции "Физика в Украине" ( Киев, Украина, 1993 г.) и на Международном симпозиуме по статистической физике и теории конденсированного состояния ( Львов, Украина, 1995 г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части и заключения, а также 45 рисунков, 3 таблиц и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 156 страниц машинописного текста.