Введение к работе
Актуальность работы. Методы магнитного резонанса с успехом применяют для исследования как газообразных, жидких, кристаллических твердых тел, так и твердых неупорядоченных систем.
Б последние десятилетия все болышй интерес привлекают к себе исследования в области неупорядоченных систем (к таковым относится довольно-таки широкий класс объектов от кристаллов с дефектами и примесями до аморфных твердых тел и жидкостей). Этот интерес обусловлен как чисто практическими потребностями в создании новых материалов с заданными свойствами, сравнительной дешевизной приборов, построенных на основе неупорядоченных твердых тел, так ш тем фактом, что некоторые неупорядоченные системы обладают свойствами, которых нет у кристаллов. Несомненный научный интерес к изучению неупорядоченных твердых тел обусловлен также и тем обстоятельством, что для описания таких объектов многие положения довольно-таки хорошо развитой теории упорядоченных конденсированных тел требуют существенной переработки.
Важным шагом на пути понимания структуры низкоэнергетической области спектра аморфных ТЕердых тел явились эксперименты, поставленные в Г97І году в работах Зеллера и Пола. В этих экспериментах измерялась теплоемкость и теплопроводность различных стекол яри температурах ниже I К. Модель, наиболее успешно позволяющая объяснить тепловые свойства аморфных твердых тел, была предложена независимо в работах, с одной стороны, Фшілипса в 1972 г. и Андерсона, Гальперина, Варма в 1972 г., с другой стороны. Согласно модели, утверждается, что в аморфной системе имеются локализованные элементарные возбуждения определенного типа - туннельные двухуровневые системы (ДУС).
В работах В.Г.Карпова я М.И.Клингера в 1983 году были заложены основы микроскопической теории, позволившей понять структуру и причину возникновения ДУС.
С помощью этой модели удалось объяснять целый ряд свойстЭ стекол при температурах Т4 I К, а именно поведение теплоемкости, теплопроводности, поглощение и изменение скорости звука, поглощение СВЧ, явления насыщения, явление фононного эхо и т.д.
Эта модель была в дальнейшем с успехом применена к совершенно иным объектам, а именно к полимерам, к кварцу, предварительно облученному нейтронами, к суперионным проводникам, к кристаллам с точечными дефектами, водородосодержащим металлам.
Другим объектом, к которому оказалось возможным применить модель ДУС, как было показано в работах А.Ф.Андреева, являются некоторые жидкости при температурах, удовлетворяющих неравенству T«j <.Т<.0 (где Та. есть температура, связанная с неопределенностью энергии, вызванной делокализацией частиц жидкости, 0 - температура Дебая). Отмеченная область температур охватывает широкий класс жидкостей: сюда, кроме изотопов гелия и их растворов, относятся также изотопы водорода и их растворы. Жидкости в отмеченной температурной области носят название полуквантовых жидкостей (ЕЕ).
Целью работы являлось построение последовательной теории релаксации, ДЛЯ, изучение диссипативных процессов в полуквантовых жидкостях и неупорядоченных твердых телах с учетом туннельных элементарных возбуждений, присущих этим объектам, а также изучение некоторых вопросов ДНЯ в кристаллических образцах, содержащих парамагнитные примеси. Изучение влияния туннельных ДУС на релаксацию ядерных спинов и на кинетику диссипативных процессов в неупорядоченных системах и полуквантовых жидкостях составляет направление исследований, проведенных в данной диссертации.
Другим направлением исследования, проводимого в данной диссертации, является изучение вопросов ДЛЯ в таких неупорядоченных системах, какими являются твердые тела с различного рода парамагнитными примесями.
Научная новизна определяется следующими новыми научными результатами, впервые полученными в данной диссертации:
- Построена теория диффузии примесей малой концентрации в Ш. Рассмотрены: случай "легких" а случай "тяжелых" примесей. Рассчитан коэффициент диффузии, которой в случае ГИ не зависит от температуры во всех тех случаях, когда имеет место туннельное движение примесных частиц. Полученный результат находится в хорошем согласии с результатом экспериментального изучения коэффициента диффузии примесей атомов Не? в V\e при температурах вше Л -точки.
Создана последовательная теория спин-решеточной релаксации (СРР) ядер водорода при низких температурах ( Т < 20 К). Предложенная в данной диссертации теория позволяет с единой точки зрения объяснить аномальную температурную и концентрационную зависимости экспериментально измеренного времени СРР ядер водорода в отмеченной температурной области. Найдена универсальная -температурная зависимость времени ядерной СРР в ПК.
Детально изучены вопросы нелинейного резонансного поглощения ультразвука в ІШ, а также юлросы релаксационного поглощения звука.
Предложен новый механизм поглощения ультразвука в ПЖ, аморфных твердых телах и водородосоцержащих металлах, который эффективен при достаточно высокой концентрации туннельных ДУС. Показано, что предложенный комбинационный механизм поглощения звука, которьш не зависит от темлературы, может объяснить наличие постоянного по температуре члена в наблюдаемом значении коэффициента поглощения (КП).
В диссертации детально изучены причины и механизмы экспериментально наблюдаемой ширины "выжженной днрн". Установлена роль ^;р-|>ор процессов в формировании конечной ширины "выжженной днры" при низких температурах и сравнительно низких частотах насыщающего ультразвука.
Подробно изучено влияние низкочастотного нерезонансного поля на ширину "выжженной дыры". Показано, что включение низкочастотного нерезонансного поля приводит я увеличению ширины "выжженной дыры", так как приводит к эффективному увеличению интенсивности случайных временных изменений энергий расщепления ДУС, а также приводит к увеличению интенсивности |(;р-?ор процессов переноса энергии возбуждения по спектру ДУС.
Детально изучена задача СРР ядер в аморфных ферромагнетиках при низких температурах. Выведено выражение для гамильтониана, описывающего СРР ядер- о учетом туннельных ДУС как для случая магнитных, так и немагнитных ДУС.
Впервые решена задача макроскопической релаксации ядер с учетом спиновой диффузии в том случае, когда время непосредственной релаксации ядер зависит от расстояния от быстрорелак-сирующих центров по закону Тігї~ г s . Именно с такой ситуацией приходится сталкиваться при наличии в системе магнитных
Изучена релаксация ядер в аморфных диэлектриках, содержащих парамагнитные примеси в случае достаточной концентрации туннельных ДУС. Показано, что в некоторых случаях косвенное Езаимодействие туннельных ДУС играет важную роль в СРР ядер в неупорядоченных системах.
Предложен новый механизм возбуждения ядерных спиновых уровней при распространении звука в неупорядоченных^ твердых телах, содержащих парамагнитные примеси.
Изучены вопросы СРР и ДПЯ в полупроводниках, содержащих глубокие примесные центры. Получены выражения для времени СРР и стационарной температуры поляризованных ядер в слабых постоянных магнитных полях в случаях, когда ~ <Ч\ д t > Тг (где X - время корреляции спина парамагнитного центра,Ті время поперечной релаксация ядер).
Изучено влияние явления фононного узкого горла (ФУГ)
на динамическое охлаждение ядер в условиях неоднородного ущире-ния линии ЗПР в случаях сильного и промежуточного насыщения линии ЗПР при низких температурах.
- Исследовано влияние ядерных размагничивающих полей на
процессы ДПЯ. Показано, что последовательный учет этих полей
в определенных случаях не приводит к сдвигу оптимального положения лика поляризации.
Научная и практическая ценность работы определяется прежде всего установлением неизвестных ранее закономерностей поведения кинетических и релаксационных (диссипативных) коэффициентов в полуквантовых жидкостях, кристаллах с примесямя, аморфных твердых телах.
Впервые в рамках предложенного в диссертации механизма удалось объяснять экспериментально наблюденное аномальное температурное и концентрационное поведение времени ядерной СРР водорода при низких температурах.
Полученный в диссертации коэффициент диффузии легких примесей в ІЖ находится в согласии с экспериментально измеренным коэффициентом диффузии атомов Не. в Не в той области температур, где Не1 должен проявлять свойства Ш.
Предложенный в диссертации комбинационный механизм поглощения ультразвука дает возможность объяснить экспериментально
измеренный не зависящий от температуры коэффициент поглощения ультразвука в водородосодержащих металлах.
Исследования по релаксации ядер в аморфных диэлектриках, содержащих парамагнитные примеси, в случае достаточно большой концентрации туннельных ДУС позволяют объяснить экспериментальные результаты по релаксации ядер в аморфных диэлектриках, содержащих парамагнитные примеси.
Исследования, проведенные в диссертации по релаксации и ДЛЯ, дали возможность объяснить результаты экспериментов по ДЛЯ оптическими методами в полупроводниках, содержащих глубокие примесные центры, а также удалось объяснить причину, по которой не происходит сдвига оптимального положения пика поляризации в CaAovV\ с примесью Од , к которому должны были бы приводить ядерные размагничивающие поля.
В то же время, ряд теоретических результатов, полученных в данной диссертации, еще не наблюдался экспериментально и будет стимулировать постановку новых экспериментов.
К некоторым из таких результатов, интересных с физической точки зрения, следует отнести результаты по СРР ядер в аморфных ферромагнетиках, предсказанную возможность насыщения ядерных подуровней в аморфных твердых телах, содержащих парамагнитные примеси, и водородосодержащих металлах при прохождении ультразвука через образец, предсказанные эффекты по нелинейному поглощению ультразвука в тонких пленках ІШ.
Автор защищает:
-
установленные на основе предложенных моделей закономерности релаксационных я диссипативннх процессов в ЕЕ;
-
найденные особенности поведения скорости макроскопической релаксации ядер в аморфных ферромагнетиках, аморфных диэлектриках; предложенный метод ультразвукового воздействия на ядерные спиновые подуровни в неупорядоченных твердых телах;
-
результаты по ДПЯ в-случае неоднородного уширения линии ЭПР при низких температурах с учетом ФУГ, а также результаты по ДНЯ оптическими методами в полупроводниках, содержащих глубокие примесные уровни.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, представляющих результаты оригинальных исследований, заключения, списка сокращений и библиографии. Список лите-
ратуры включает 260 наименований. Работа содержит 10 рисунков и излочена на 271 странице машинописного текста.
Апробация работы. Основнне результаты диссертации докладывались на совместном советско-финском рабочем совещании по физике низких температур (Телави.1980), ХШ Всесоюзном совещании по физике низких температур (Таллинн,1984), на Всесоюзной школе-симпозиуме по магнитному резонансу (Кобулети,1985), на Всесоюзном семинаре по оптическому детектированию магнитного резонанса (Ленинград,1981), Всесоюзной зимней школе по физике низких температур (Бакуриаял,1986), XX Всесоюзной конференции по магнетизму (Калинин,1988).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 18 научных трудах, перечень которых приведен в конце автореферата.
