Кинетика вакансий в твердом 4Не Зуев, Николай Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы. Исследования твердого гелия, как уникального физического объекта, является одной из актуальных проблем физики низких температур вот уже длительный период времени. Это связано, с одной стороны, с возможностью получения весьма совершенных кристаллов, практически лишенных примесей, а с другой - принадлежностью твердого гелия к специфическому классу квантовых кристаллов, для которых характерен целый ряд необычных свойств. Уникальность свойств гелия видна уже из того, что при нормальном давлении он остается жидким даже при абсолютном нуле температур, но уже небольшое увеличение давления С- 25 атм) приводит к его кристаллизации.

При изучении твердого гелия была открыта квантовая диффузия дефектов [1-3], обнаружено расслоение растворов 14], гидродинамическое течение фононов [51, кристаллизационные волны [6]. Большое внимание было уделено изучению также традиционных свойств твердых тел, таких как теплопроводность и теплоемкость.

Тем не менее, целый ряд вопросов остается невыясненным до сих пор.

В работе Ш было предсказано явление квантовой диффузии точечных дефектов в квантовых кристаллах, которое было изучено на примере примеси ³Не в кристаллах ⁴Не. С теоретической точки зрения еще более сильное влияние квантовые эффекты должны оказывать на свойства вакансий. Однако до последнего времени, несмотря на интенсивные исследования не получено доказательств квантовости вакансий и остается целый ряд не решенных проблем, среди которых, по-видимому, самым важным является вопрос о характере движения вакансий, о роли кванто-

- 4 -вше механизмов движения.

Недавно.была предложена новая возможность изучения подвижности вакансии в связи с обнаружением диффузионного течения твердого гелия через пористую мембрану Ш. При малых нагрузках и высоких температурах процесс пластического течения твердых тел связан с диффузией вакансий, и, следовательно, изучение этого явления дает возможность определять коэффициенты самодиффузии атомов и диффузии вакансий, и, в частности, рассматривать вопрос о подвижности вакансий.

Весьма актуальным является также измерение коэффициента теплопроводности в кристаллах *Не малой плотности. Во-первых, кристаллы с большим молярным объемом могут быть выращены наиболее совершенными, и определение температурной зависимости коэффициента теплопроводности для таких кристаллов в области пуазейлева течения фононного газа открывает возможность для выяснения вопроса о механизмах рассеяния фононов в идеальных кристаллах; во-вторых, при исследовании в области высоких температур можно оценить вклад вакансий в процесс переноса тепла, и, в-третьих, такие эксприментальные данные имеет и самостоятельную ценность, поскольку теплопроводность является одной из важных характеристик вещества.

Все вышеперечисленное определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Целью работы было измерение коэффициента теплопроводности совершенных образцов ГПУ кристаллов *Не, выращенных из сверхтекучей фазы; оценка вакансионного вклада в теплопроводность; изучение пластического течения твердого гелия через пористую мембрану с целью измерения коэффициентов самодиффузии атомов и диффузии вакансий; изготовление установки для измерения коэффициента теплопроводности при

- 5 -сверхнизких температурах.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработана методика и создано устройство для выращивания высококачественных образцов твердого гелия из сверхтекучей фазы.

2. Получены экспериментальные данные о коэффициенте теплопроводности твердого гелия вблизи кривой плавления. Оценен предел вакансионного вклада в теплопроводность. В области пуазейлева течения найдена температурная зависимость коэффициента теплопроводности

3. измерен коэффициент самодиффузии атома и диффузии вакансий в ГПУ и ОЦК фазах твердого гелия при Т > 1,3 К. Показано, что экспериментальные данные лучше всего описываются квантовым механизмом диффузии вакансий с учетом однофононных процессов рассеяния.

4. Разработана, сконструирована и изготовлена установка для измерения теплопроводности при сверхнизких температурах на базе рефрижератора растворения.

Все перечисленные результаты получены впервые, что определяет научную новизну работы.

Научное и практическое значение работы состоит в созданиии экспериментальной методики для выращивания образцов твердого гелия из сверхтекучей фазы и измерении коэффициента их теплопроводности в широкой области температур, в измерении коэффициента самодиффузии атомов ⁴Не и коэффициента диффузии вакансий, в выяснении механизма движения вакансий, в создании новой установки для измерения теплопроводности при сверхнизких температурах.

Апробация работы: результаты настояжей работы докладывались на Конференциях по физике низких температур НТ-26 С1990 г., Донецк),

- 6 -HT-29 (1992 г., Казань), на Бакурианских коллоквиумах (1983, 1990, 1991 гг.), на Республиканских семинарах по физике криокристаллов (1983, 1991 гг., Красный Лиман), на 3-м Республиканском семинаре по физике и технике сверхнизких температур (1986 г., Красный Лиман), на научно-технических конференциях молодых ученых ФТИНТ АН Украины (1983, 1990, 1991 гг., Харьков).

Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных, работах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы из 112 наименований. Общий объем работы - 148 страниц, в том числе 41 рисунок и 8 таблиц.