Введение к работе
Актуальность темы. Мюонный метод появился на свет почти сразу после открытия несохранения четности в/і -^e + i/ + S распаде в 1957 году Гарвином. Ледерманом п Вепнрпхом и независимо Фрпдманом п Телегдл. Чтобы набрать достаточный статистический материал, приходилось изучать распад поляризованных мюонов, остановившихся в какой-либо мпшени, влияние которой на поведение полярпзаппп сппна мюона воспринималось как.неизбежная и досадная помеха при постановке "чистого" эксперимента. Поэтому волей-неволей пришлось научать закономерности и детали поведения поляризации сппна мюона в различных мишенях, все детальнее разбираться в поведении мюонов в веществе.
Когда проверка V-А теории слабого взаимодействия была успешно завершена ( в основном благодаря усилиям группы ИАЭ), натопился большой опыт работы с поляризованными мюонами и определенные теоретические представления о взаимодействии мюонов с веществом. Примерно тогда же стало ясно, что положительные мюоны в веществе - великолепный инструмент для научения весьма широкого спектра свойств и фпзпко-хпмическпх характеристик объектов самой различной природы. Таким образом изучение поведения поляризации сппна мюонов в веществе стало представлять самостоятельный интерес. Данная работа посвящена поведению только положительных мюонов.
Возникновение мюонного метода исследования вещества и исключительно широкий спектр его применения связано прежде всего с такими важными свойствами положительного мюона:
1. Положительный мюон имеет исключительно большое время
жизни (rmu » 2,2 10_flc).
-
Положительный мюон с точки зрения химии - это легчайший изотоп протона. . '_',',' .,.
-
В ускорителях можно получать пучок поляршібванньрсіаюонов» который затем останавливается в мшненп, причем может проникать достаточно глубоко в объем.
4. И главное: свойства распада мюонов позволяют определять направление поляризации спина мюона в момент распада.
Новые экспериментальные возможности мюонного метода п новые экспериментальные результаты поставили новые теоретические проблемы, которые можно расклассифицировать, по характеру задач, решаемых ^SR-методом. А именно: 1) исследование свойств среды как таковой (в этом случае положительный мюон играет роль уникального магнитного микроэонда), 2) исследование поведения легких примесей в кристаллах, 3) изучение химии водорода (протона) (здесь мюон - легкий изотоп водорода). На практике не всегда можно отделить одну задачу от другой, более того, часто все три задачи могут быть взаимосвязаны (как это имеет место в крпоспстемах). Очевидно, что для изучения тонких эффектов, связанных со свойствами вещества-мишени, следует прежде всего решить проблему взаимодействия магнитного момента мюона с локальными полями в среде и влияния самого мюона на среду. Что касается двух других задач, то здесь в первую очередь представляется необходимым получить изотопическую зависимость от массы мюона.
Цель диссертации: развитие теории мюонного метода исследования иследования вещества, построение теории, объясняющей экспериментальные результаты, полученные при изучении полупроводников а диэлектриков, петаллов и криосисіем и стимулирование постановки новых экспериментов.
Научная, новизна работы
1. Впервые детально учтены взаимодействия атома Ми в кристал
лах со структурой алмаза и цинковой обманки. Показано, что в
кристаллах; спиновый гамильтониан мюонпя определяется сим
метрией окружения, в котором находится Ми. Таким образом,
было, показано, что мюонный метод позволяет изучать более де-
тально.состояния легких примесей в кристаллах.
Предложено решение общей проблемы эффективной деполярпза-вдщ.сщша мюона в полпкристаллпческпх образцах.
2. Решена общая задача деполяризации спина мюона в мюонпп с
' анизотропным спиновым гамильтонианом.
3. Выведены релаксацпонные уравнения для матрицы плотности
мюонпя в приближении коротких времен корреляции и получены
формулы, опнсывающпе поведение поляризации спина мюона в
металле, когда образуется атом мюонпя.
Получены также общие закономерности поведения поляризации сппна мюона в мюонпп, образовавшемся в поляризуемой среде.
-
Развиты основы теорпп мюонного метода для пзученпя эффекта де Гааза - ван Алъфена. В частности, для наблюдения образования диамагнитной доменной структуры в металле.
-
Получены общие формулы, описывающие поведение поляризации сппна мюона под воздействием периодического возмущения с частотой, близкой к резонансу. Результаты применены для определения поведения поляризации спина мюона в поле акустической волны в полупроводниках и диэлектриках а їакже в магнетиках.
-
Построена теория поведения поляризации спина кабина в конденсированных фазах пзотопов водорода в диамагнитной компоненте.
Разработан механизм п вычислены скорости термалпАацип молекулярного иона в изотопах водорода. Показано, что для рассматриваемых спстем весьма важную роль в определении механизма деполяризации играет взаимодействие сплн-Йр'аіп.енПе. Оказалось, что несмотря на то, что молекулярный ион не успевает терамалпооваться, тем не менее скорость деполяризации спина м» >на весьма чувствительна к взапмодествпям в кристалле в сильно зависит от температуры.
7. Рассмотрен механизм деполяризации сшгаа мюона в газообраз
ной и жидкой фазах диамагнитных молекулярных сред и конк
ретно проведен расчет для среды двухатомных Молекул.
Получение изотопическая зависимость как от массы &дёр молекул среды, так и от массы мюона.
Научная в цракдагаеская ценность работы.
Решены проблемы описания поведения полярпзашш.спина мю
она в мюопип с адпзотроггнъгм гамильтонианом. Получены ана-
шггпческле формулы, позволяющие легко извлекать параметры
сверхтонкой структуры из экспериментальных даннах. Пока
зано также, что такая возможность существует при определен
ных значения внешнего магнитного поля даже для полпкристал-
пических образцов.
Получено описание релаксационных процессов в полупроводниках, обусловленных взаимодействием со свободными носителями.
Показано, что наиболее эффективен попек мюония в металле по изучению температурной зависимости скорости деполяризации продольной компоненты поляризации, которая должна иметь характерный максимум. Получены предельные значения констант сверхтонкого взаимодействия, при которых возможно наблюдение мюония.
Показано, что мюонньш метод позволяет эффективно изучать образование диамагнитной доменной структуры в металле п получать информацию о распределении магнитного поля в доменах при эффекте де Гааза - ван Альфена,
Развита теория мюонного акустического спинового резонанса:-/iASR - метод.
Проведен полный анализ гамильтониана сшга-фононного взаимодействия при различных конфигурациях эксперимента (взаимной ориентации магнитного поля, направления распространения п поляризации акустической волны). Показано, что в по-, лупроводнпках и диэлектриках можно непосредственно определять константы спнн-фононного взаимодействия мюония по характерным минимумам в средней продольной поляризации как функции магнитного поля. В магнетиках появляется возможность непосредственно измерять константы магнитной анизотропии и магнитострпкщш, что не удается сделать другими методами.
Показано, что эксперименты по изучению деполяризации сшша
мюона з водороде не могут быть удовлетворительно объяснены в предположении, что молекулярный ион (а, значит, п мюон) успевают термалпзоваться за время жизни мюона. Полученные результаты впервые позволили непосредсвенно связать результаты pSR-эксперпментов с микроскопическими характеристиками мишени. В частности, удалось объяснить практически от~ сутствующую зависимость скорости деполяризации спина мюона в различных пзотопах водорода.
Изотопическая зависимость скорости термалпзапии и скорости деполяризации спина мюона в диамагнитной компоненте имеет общий характер и применима для описания поведения молекулярного пона ^Аз/іР в вандерваалъсовых кристаллах.
Результаты расчета скорости деполяризации спина мюона в газообразной и жидкой фазах диамагнитных молекулярных сред, содержащие изотопическую зависимость, могут быть непосредственно использованы прп интерпретации соотвествующих результатов AiSR-пзмеренпп для водорода. Применение результатов может быть существенно расширено прп изучении фазовых переходов I рода типа жидкость - газ. поскольку скорость деполяризации в газе п жидкости прп одинаковой температуре существенно различна.
Для зашиты диссертации выдвигаются следующие основные результаты.
-
Теория деполяризации спина мюона в молекулярном ионе (Нгд )"*". Объяснение слабой изотопической зависимости скорости депо-дярпзаппп спина мюона в конденсированных фазах изотопов водорода.
-
Механизм термализапип молекулярного иона типа (А*[і)+ в кри-окрпсталлах и молекулярных кристаллах.
-
Развитие теорпп мюонного акустического спинового резонанса.
-
Теория /iSR-метода для изучения эффекта де Гааза - ван Алъ-фена и анализ возможностей мюонного метода для наблюдения
и изучения воэцнхаквдеп прп этом доменной структуры (диамагнитных доменра)
-
Вывод релаксационного уравнения для спиновой матрицы плотности мюония а проводящих средах (нормальных металлах и полупроводниках) в. приближении коротких времен корреляции и описание поведения- поляризации спина мюона при образовании мюония в нормальных металлах.
-
Теория поведения поляризации спина мюона в мюонпп с анизотропным спиновым гамильтонианом. Описание экспериментально наблюдаемой картины в полупроводниках и диэлектриках со структурой алмаза и цинковой обманки.
-
Описание деполяризации спина мюона в полупроводниках, обусловленной свободными носителями.
-
Теория деполяризации спина мюона в мюонии в жидкой и газообразной фазах диамагнитных молекулярных сред.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертацию докладывались на II и III' Международных симпозиумах по проблемам взаимодействия мюо-нов н пионов с веществом (Дубна, 1987г,, 1994г.), на Международных конференциях. "/jSR'90" (Великобритания, Оксфорд, 1990г.) и n/iSR-93" (Гаваи, Мауц, 1993г.), на Всесоюзных семинарах "Программа экспериментальных исследований на мезонной фабрике ИЛИ АН СССР" (Звенигород, 1984г., 1986г.), на Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям (Ужгород, 1991г.), на Зимних Школах ЛИЯФ АН СССР (ПИЯФ РАН) по физике ядра и элементарных частиц, на межинститутскпх /iSR-семпнарах (МФТИ, ИАЭ, ЛНЯФ), на семинарах ФИАН, ИАЭ, ИЛИ, ОИЯИ и др.
Структура и объем работы. Диссертация состоит пз введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка литературы из 177 наименований. Общий объем - 141 стр. и включает 21 рисунок.
