Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ім. Б.І. Вєркіна

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ЯДЕРНА МАГНІТНА РЕЛАКСАЦІЯ ТА СПІНОВА ДИФУЗІЯ

В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ 3Не - 4Не ПРИ НАДНИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

ПОЛЄВ Андрій Володимирович

УДК 536.48

01.04.09 - Фізика низьких температур

Харків - 2002 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур

ім. Б. І. Вєркіна НАН України, м. Харків

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор

Рудавський Едуард Якович

(ФТІНТ НАНУ, відділ квантових рідин і кристалів,

завідувач відділу)

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор

Прохватілов Анатолій Іванович

(ФТІНТ НАНУ, відділ низькотемпературних досліджень

структури твердого тіла,

провідний науковий співробітник)

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Полуектов Юрій Матвійович

(Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Інститут теоретичної фізики)

Провідна установа: Харківський Національний Університет ім. В. Н. Каразіна Міністерства Освіти і Науки України, кафедра фізики низьких температур фізичного факультету та кафедра теоретичної ядерної фізики фізико-технічного факультету

Захист відбудеться “ 14” 01 2003 р. о 1630 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.175.02 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна, 47).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ НАН України, 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

Автореферат розісланий “10” 12 2002 року.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

ядерний магнітний дифузія кристал

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена експериментальному дослідженню магнітної релаксації твердого гелію, який є найбільш яскравим представником особливого типу твердих тіл - квантових кристалів. Велика амплітуда нульових коливань, сильні обмінні процеси, тунельний рух атомів - всі ці проявлення квантовості твердого гелію визначають його незвичайні магнітні властивості, які раніше були досить детально вивчені лише у чистому твердому 3Не. Для цілого класу квантових кристалів - твердих розчинів 3Не в 4Не - такі дослідження не були систематичними та фактично повністю були відсутні у той області температур, концентрацій та тисків, де розчини зазнають фазове розшарування - фазовий перехід першого роду, який пов'язаний з утворенням включень ОЦК фази, багатою 3Не, у ГЩУ матриці, багатою 4Не.

Дана робота поповнює недостатні експериментальні дані в цій області, і процеси ядерної магнітної релаксації вперше досліджуються у розшарованих твердих розчинах 3Не - 4Не аж до наднизьких температур. Такі експерименти дуже важливі та актуальні для розвитку нашого уявлення про ядерний магнетизм, квантове тунелювання та механізми релаксаційних процесів при низьких температурах.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота була виконана у відділі квантових рідин та кристалів ФТІНТ НАН України у рамках тематичного плану інститута по наступним темам:

Ф14 - 5 "Кінетичні та релаксаційні процеси у квантових рідинах та кристалах при наднизьких температурах" (№ держ. реєстру 0196U002949);

Ф12 - 7 " Дослідження нових квантових систем у рідкому та твердому гелії при наднизьких температурах" (№ держ. реєстру 0100U004483);

Робота також частково проводилась в рамках Європейської програми INTAS (проект 94 - 3416) "Quantum crystals and fluids of helium isotopes at ultralow temperatures: magnetic quantum systems with arbitary dilution"; Українського проекту Державного фонду фундаментальних досліджень "Нові квантові та ангарманічні ефекти в розчинах кріокристалів" (02.07/00391) (№ держ. реєстру 0102U003098), та проекту науково - дослідних робіт для молодих вчених НАН України "Кінетичні процеси у двофазних розчинах квантових кристалів 3Не - 4Не при наднизьких температурах" (№ держ. реєстру 0101U006407).

Мета роботи:

Вимірювання в області наднизьких температур часів спін-граткової та спін-спінової релаксації у двофазних кристалах твердих розчинів 3Не - 4Не, які складаються з включень 3Не у матриці кристалічного 4Не.

Ідентифікація основних механізмів, які зумовлюють ядерну магнітну релаксацію у кожній з існуючих фаз на основі порівняння отриманих експериментальних даних з різними модельними розрахунками.

Порівняння поведінки часів спін - граткової та спін - спінової релаксації у твердих включеннях 3Не і в об'ємному твердому 3Не, особливо в області наднизьких температур;

Проведення систематичних ЯМР - вимірювань коефіцієнту спінової дифузії у твердих розчинах 3Не - 4Не вздовж лінії рівноваги ОЦК - ГЩУ фаз та вздовж кривої плавлення поблизу потрійних точок ОЦК - ГЩУ - рідина;

- Використання різних методик спінової луни, які дозволяють виділити внески різних фаз до коефіцієнту дифузії та з'ясувати можливі причини аномальної поведінки дифузії під час фазового переходу ОЦК - ГЩУ;

Об'єктом дослідження є тверді розчині квантових кристалів 3Не у 4Не.

Предмет дослідження - ядерна магнітна релаксація та спінова дифузія у твердих розчинах 3Не - 4Не.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше були отримані експериментальні дані про часи спін - граткової та спін - спінової релаксації в обох фазах розшарованих квантових кристалів розчинів 3Не - 4Не.

Встановленню, що у концентрованій ОЦК фазі часи спін - граткової релаксації та спін - спінової релаксації практично не залежать від температури в усій області існування фази і зумовлюються взаємодією між зееманівською та обмінною підсистемами.

Виявлено, що у розбавленій ГЩУ фазі часи спін - граткової та спін - спінової релаксації зростають із зниженням температури за степеневим законом і зумовлені зміною концентрації 3Не в міру фазової діаграми. При цьому основним механізмом релаксації є тунельний обмін 3Не - 4Не

У області наднизьких температур (нижче ~ 10 мК) виявлено неекспоненційне затухання сигналу спінової луни, яке може бути пояснено квазіодновимірною дифузією атомів 3Не вздовж дислокаційних ліній.

Спостережено новий аномально швидкий дифузійний процес поблизу ОЦК - ГЩУ переходу, який може бути пов'язаний з утворенням рідких крапель під час цього фазового переходу.

Наукова і практична цінність роботи. Дана дисертаційна робота має відношення до фундаментальних досліджень, які розширюють наше уявлення про поведінку макроскопічних систем, де квантові ефекти виявляються у масштабі всієї системи в цілому. Зокрема, у роботі отримані нові принципові факти про те, як відбувається ядерна магнітна релаксація у двофазних квантових кристалах, а також про кінетику ОЦК - ГЩУ переходу в квантових кристалах. Отримані фізичні результати будуть використані у таких розділах сучасної фізики, як фізика квантових кристалів, ядерний магнетизм, фізика фазових переходів. Разом з цим, експериментальна база даної дисертаційної роботи може бути використана для інших фізичних досліджень при наднизьких температурах, а також для різних ЯМР - вимірювань.

Апробація результатів проходила на таких наукових конференціях:

21 Міжнародна конференція з фізики низьких температур, LT - 21, Прага, Чехія 1996 р.;

Міжнародній симпозіум з фізики квантових рідин та кристалів,

QFS - 98, Амхерст, США, 1998 р.;

31 Міжнародна Нарада з фізики низьких температур, Москва, Росія, 1998 р.;

Міжнародний симпозіум з фізики наднизьких температур, ULT, Санкт - Петербург, Росія, 1999 р.;

Міжнародний симпозіум з фізики квантових рідин і кристалів,

QFS - 2000, Мінеаполіс, США, 2000 р.

Міжнародний симпозіум з фізики квантових рідин і кристалів,

QFS - 2001, Констанц, Німеччина, 2001 р.;

5-а Міжнародна конференція "Физические явления в твердых телах", Харків, Україна, 2001 р.;

Міжнародна конференція "Physics of Liquid Matter: Modern Problem", Київ, Україна, 2001р.;

23 Міжнародна конференція з фізики низьких температур, LT - 23, Хіросіма, Японія, 2002 р.

Особистий внесок. Роботи, що увійшли в дисертацію, виконані Полєвим А. В. у співавторстві. Його особистий внесок в є таким:

в роботах [1, 2] - участь в експерименті, налагодження і удосконалення систем термометрії і циркуляції рефрижератора розчинення, створення і удосконалення програм та пристроїв для комп'ютерної реєстрації і обробки первинних експериментальних даних, участь в інтерпретації результатів.

в роботі [3] - участь в експерименті, обробці експериментальних даних, аналізі результатів експерименту та їх порівнянні з теорією;

в роботі [4] - участь в постановці і проведенні експерименту, розробка і виготовлення експериментальних комірок, удосконалення і налагодження рефрижератора; розробка і створення систем термометрії, апаратури для вирощування і контролю за станом зразка кристалічного гелію, участь в обробці отриманих даних та інтерпретації результатів.

Одержані в дисертації результати, висновки та положення достовірні і обґрунтовані.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих праць, з них 4 статті в реферованих журналах [1-4], 6 тез міжнародних конференцій [5-10].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку та списку використаних джерел (98 найменувань). Зміст роботи викладено на 105 сторінках, 32 рисунках та 3 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить пояснення актуальності проблеми. У ньому приведені мета та задачі дослідження магнітної релаксації у двофазних розшарованих розчинах 3Не - 4Не, наукова новизна та практичне застосування отриманих результатів. Крім цього у вступі відзначено зв'язок роботи з іншими науковими програмами та темами.

Перший розділ містить аналітичний огляд літератури по експериментальним та теоретичним дослідженням спін-граткової релаксації та спін-спінової релаксації як у чистому твердому 3Не, так і в гомогенних квантових розчинах 3Не - 4Не, а також по спіновій дифузії у твердому чистому 3Не і в однорідних твердих розчинах під час їх кристалографічного фазового переходу ОЦК - ГЩУ.

В кінці розділу формулюються висновки і мотивація дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений експериментальному дослідженню процесів спін -граткової релаксації у розшарованих слабких твердих розчинах 3Не у 4Не. Вимірювання магнітних релаксаційних властивостей твердого гелію здійснювались на рефрижераторі з ядерним розмагнічуванням [1], який дозволяв знизити температуру досліджуваного кристалу до ~10-3 К. Рефрижератор був обладнаний автоматизованою системою управління, збору і обробки експериментальних даних.

Використовувалась експериментальна установка, описана раніше [2], в якій розташовувалася циліндрична ЯМР - комірка, виготовлена з епоксидної смоли. Кристал, що досліджувався, вирощувався з вихідний суміші з концентрацією 3,18 0,02% 3He методом блокування капіляра і являв собою циліндр діаметром 4 мм і довжиною 20 мм. Для усунення можливих градієнтів тиску і концентрації зразки відпалювались поблизу температури плавлення на протязі доби. Вимірювання проводилися при тиску 3,7 МПа в області температур від 1 мК аж до 1 К, тобто включали, як область існування однорідного розчину, так і область ізотопічного фазового розшарування.

Для вимірювання часу спін-граткової релаксації використовувалася методика імпульсного ЯМР на частоті 250 кГц. Після впливання на систему послідовності імпульсів , де - інтервал часу між імпульсами поздовжня намагніченість системи однофазного кристалу поверталася до свого рівноважного значення згідно із законом

(1)

де - рівноважне значення намагніченості.

Після фазового розшарування, коли утворювалася розбавлена ГЩУ фаза з рівноважною намагніченістю і концентрована ОЦК фаза з рівноважною намагніченістю , відновлення намагніченості описується сумою двох експонент. Оскільки , і амплітуда ЯМР - сигналу пропорційна, , намагніченості, ,то маємо

(2)

Результати обробки отриманих експериментальних даних методом найменших квадратів дозволили одержати значення часів спін-граткової релаксації, які в залежності від температури представлені на Рис. 1. Зазначимо, що кожна точка виміряна після тривалої стабілізації температури і відповідає термодинамічній рівновазі. Приведена залежність має три гілки, які відповідають вихідному розчину з ГЩУ структурою () і двом дочірнім фазам - концентрованої ОЦК фазі () і розбавленій ГЩУ фазі ().

Як видно з Рис. 1, час спін-граткової релаксації для концентрованої фази практично не залежить від температури в усій області існування фази. Це дає основу вважати, що механізм релаксації пов'язаний із взаємодією зеєманівської підсистеми з граткою через обмінну підсистему, яка має температуру гратки. Оскільки концентрована фаза складається з практично чистого 3Не, то для обчислення була використана модель Гарвіна - Ландесмана, яка раніше дала добре узгодження з експериментами у чистому об'ємному 3Не. У наближенні парного тунельного обміну 3Не - 3Не швидкість релаксації визначається [3]:

(3)

де - ларморівська частота, - обмінна частота, - другий момент ван Флека, який залежить від молярного об'єму кристала. Формула (3) дає = 0,27 0,1 с, що добре узгоджується з результатами експерименту (Рис. 1).

Треба однак зазначити, що в чистому 3He цей механізм релаксації виявляється при не дуже низьких температурах (вище за 0,4 - 0,5 К), в той час, як в умовах даного експерименту для концентрованої фази область температурної незалежності , характерна для обмінного "плато", відповідає інтервалу температур від 0,2 К аж до самих низьких досліджених температур (1 мК). Проведений аналіз показав, що найбільш імовірною причиною такої поведінки є те, що концентрована фаза розшарованих розчинів, на відміну від об'ємного 3Не, є дрібнодисперсною системою.

Щодо розбавленої ГЩУ фази, то час спін-граткової релаксації як для вихідного однорідного розчину (), так і для розшарованої фази () також пов'язаний з безпосередньою взаємодією зеєманівської та обмінної підсистем, але при цьому суттєвим стає тунельний обмін 3Не - 4Не. Тоді згідно з теорією Торрі [4]

, (4)

де - підгоночний параметр, значення якого бралось з роботи [5]. Формула (4) дає = 0,8 с, що добре узгоджується з експериментом для вихідного розчину. Для розшарованої ГЩУ фази температурна залежність (Рис. 1) є слідством зміни концентрації згідно з фазовою діаграмою. Тому на Рис. 2 приведена концентраційна залежність часу . При цьому, крім результатів даної роботи, представлені усі відомі дані для однорідних слабких ГЩУ розчинів 3Не в 4Не відповідної концентрації. Як видно з Рис. 2, усі дані добре описуються єдиною залежністю , де = 0,88 0,12. Це свідчить про те, що процеси спін-граткової релаксації в ГЩУ фазі як однорідного, так і розшарованого розчину носять один і той же характер.

Третій розділ містить результати експериментального дослідження спін-спінової релаксації у розшарованих твердих розчинах 3Не - 4Не. Експерименти проводились з тим же розчином 3He в 4He і за допомогою тієї ж методики одержання зразків, що і при дослідженні спін-граткової релаксації. При високих температурах (>) практично всі вимірювання часу спін-спінової релаксації в однорідному вихідному розчині , проводилися по спаданню сигналу вільної індукції (СВІ) після дії на зразок імпульсу.

У двофазній структурі розшарованих розчинів 3Не - 4Не вимірювання проводилися методом спінової луни [6], коли на спінову систему впливають імпульсною послідовністю . Кожна з фаз характеризується своїми власними значеннями часів спін-спінової і спін-граткової релаксації і вносить свій внесок у амплітуду спінової луни:

, (5)

Тут перший член описує внесок концентрованої фази з часами спін-граткової релаксації, і спін-спінової релаксації , другий - внесок розбавленої фази з часами і , відповідно; < 1 - відносна частка 3Не, що міститься в концентрованій фазі, - час вичікування між послідовностями імпульсів.

Отримані таким чином значення у всій досліджуваній області температур представлені на Рис. 3. У вихідному ГЩУ розчині час спін-спінової релаксації не залежить від температури і добре узгоджується з отриманими раніше результатами [5, 7 - 9] для однорідних твердих розчинів 3Не - 4Не в області обмінного плато з урахуванням концентрації і молярного об'єму розчину.

Для розшарованої концентрованої фази час практично не залежить від температури та, як і у чистому 3Не, визначається обмінними процесами, пов'язаними з тунельним рухом 3Не - 3Не. При цьому згідно з [3]

(6)

для умов даного експерименту маємо = 0,20 0,05 с, що відповідає експериментальним результатам. Область обмінного плато, як і для спін-граткової релаксації охоплює температурну область, значно більшу, ніж у випадку об'ємного 3Не. Неясним поки залишається деяке зниження при Т < 50 мК.

Для розшарованої розбавленої фази зростання часу із зниженням температури віддзеркалює відповідну зміну концентрації фази, аналогічно поведінці (розділ 2). При цьому виявлено, що величина ~ узгоджується з відповідним значенням для однорідних розчинів, а домінуючий внесок у процеси спін-спінової релаксації також дає тунельний обмін 3Не - 4Не.

При самих низьких температурах ( < 10 мК) було спостережено неочікуване неекспоненційне спадання амплітуди спінової луни (Рис. 4, крива 1). Для порівняння на Рис. 4 приведена відповідна залежність при = 20 мК (крива 2) , де такої аномалії нема.

Аналіз одержаних результатів і їх співставлення з різними моделями показав, що добре узгодження з експериментами одержується, якщо припустити, що неекспоненційне падіння спінової луни при великих відповідає квазіодновимірній дифузії атомів 3Не вздовж дислокаційних ліній з коєфіціентом дифузії . Тоді амплітуда спінової луни в залежності від має вигляд [10]:

, (7)

- інтеграл імовірності.

Формула (7) дозволяє задовільно описати експериментальні дані на Рис. 4 при значеннях підгоночних параметрів: = 510-5 cм2/с, = 0,97 (пунктирна крива). Малий відносний внесок “ - фази” = 0,03 в амплітуду луни згідно (7) не дозволяє спостерігати цей ефект при більш високих температурах, коли амплітуда ЯМР сигналу падає в міру закону Кюрі.

У четвертому розділі представлені детальні ЯМР - дослідження спінової дифузії у твердих розчинах 3Не - 4Не поблизу ОЦК - ГЩУ переходу. Раніше у цій області існували протиріччя між різними експериментальними дослідженнями.

Експерименти проводилися у розчині 3Не в 4Не, з концентрацією 1,05 % 3Не вздовж кривої плавлення, а також вздовж лінії фазової рівноваги ОЦК - ГЩУ (випадок, коли масивна рідина відсутня). Особлива увага під час вимірювання приділялась областям поблизу двох потрійних точок, в яких існують ОЦК фаза, ГЩУ фаза і масивна рідина одночасно.

В експерименті були використані можливості методів спінової луни для ідентифікації дифузійних процесів в кожній із співіснуючих фаз. Коефіцієнт спінової дифузії визначався, в основному, за допомогою методу Карра-Парселла [6]. Якщо в досліджуваному зразку знаходились в рівновазі декілька фаз, кожна з яких характеризується своїм коефіцієнтом дифузії , то дифузійний спад амплітуди спінової луни при наявності градієнта магнітного поля має вид:

(8)

Тут індекс - відповідає номеру фази, - відносна вага - тої фази в зразку, - гіромагнітна стала, - максимальна амплітуда луни коли, = 0, і - поточне значення амплітуди луни при > 0. В умовах даного експерименту дифузійний спад домінував над спадом за рахунок спін-граткової і спін-спінової релаксації, оскільки виконувалася умова . Для ідентифікації ГЩУ фази, в якій коефіцієнт дифузії на порядок менший, ніж в ОЦК фазі, було використано більш чутлива методика стимульованої луни з трьома зондуючими імпульсами 900 - -900 - (-) - 900 [11].

Детальний аналіз дифузійного затухання спінової луни при різних дозволив виявити в області співіснування ОЦК і ГЩУ фаз, крім дифузії в цих фазах, додатковий дифузійний процес, який чітко спостерігається при малих . Несподіваною виявилась залежність коєфіціента дифузії , який відповідає цьому процесу, від величини . Це означає, що новий процес пов'язаний з просторово обмеженою дифузією, коли за час вимірювання атоми встигають зіткнутись з межами об'єму. Експерименти довели, що величина на кілька порядків більше, ніж коєфіціент дифузії в ОЦК та ГЩУ фазах (, ) і практично співпадає з коєфіціентом дифузії у рідкому розчині 3Не - 4Не (рис. 5, суцільна лінія). Для порівняння на Рис. 5 представлені також температурні залежності та .

Обмежений характер нового додаткового дифузійного процесу дозволяє припустити, що величина описує дифузійний процес у рідких краплях, які утворюються в процесі ОЦК - ГЩУ переходу. Очевидно, при фазовому переході ОЦК - ГЩУ у кристалі виникають локальні області зниженого тиску за рахунок утворення дефектів при деформації гратки на межі ОЦК - ГЩУ фаз, а також внаслідок різниці молярних об'ємів обох фаз.

Аналогічні результати були одержані і в експериментах вздовж кривої плавлення. Однак у тому випадку новий дифузійний процес був виявлений лише поблизу потрійних точок ОЦК - ГЩУ - об'ємна рідина. У далечині від потрійних точок, де в рівновазі з рідиною знаходяться лише ОЦК або ГЩУ фаза, новий процес не спостерігався, що також підтверджує гіпотезу рідких крапель. Слід відмітити, що одержані температурні залежності коєфіціентів спінової дифузії для співіснуючих фаз добре узгоджуються з попередніми менш чутливими ЯМР - вимірюваннями [12] і не підтверджують тієї аномалії, що була приведена в роботі [13].

ВИСНОВКИ

Основні результати роботи можна сформулювати таким чином:

За допомогою рефрижератора з ядерним розмагнічуванням методом імпульсного ЯМР вимірянні часи спін-граткової та спін-спінової релаксації як у концентрованій ОЦК фазі, так і в слабкій ГЩУ фазі розшарованих розчинів.

Встановлено, що в концентрованій фазі часи і практично не залежать від температури у всій області температур (аж до 1 мК). Така поведінка може бути адекватно описана у рамках моделі Гарвіна - Ландесмана для чистого масивного твердого 3Не.

Показано, що на відміну від масивного твердого 3Не, область обмінного плато простирається аж до самих низьких температур, що, очевидно, пов'язано з дрібнодисперстністю концентрованої фази розшарованого розчину.

Встановлено зростання часів і у розчиненій ГЩУ фазі зі зменшенням температури, яке зумовлено зменшенням концентрації 3Не у цій фазі в міру фазової діаграми. При цьому часи і мають степеневу залежність від концентрації, яка співпадає с аналогічною залежністю для однорідного (не розшарованого) розчину тіє ж концентрації.

Показано, що в слабкій ГЩУ фазі процеси спін-граткової та спін-спінової релаксації також зумовлені взаємодією між зееманівською та обмінною підсистемами, однак в цьому випадку визначальним є тунельний обмін сусідніх атомів 3Не і 4Не.

При дослідженні спін-спінової релаксації в концентрованій фазі при температурах 5 - 10 мК виявлено неекспоненційне затухання сигналу спінової луни, причиною якого може бути квазіодновимірний дифузійний процес атомів 3Не вздовж дислокаційних ліній.

За допомогою різних методик імпульсного ЯМР були ідентифіковані внески дифузійного затухання ОЦК - фази, ГЩУ - фази та масивної рідини у сигнал спінової луни в однорідних твердих розчинах 3Не - 4Не та вивчена температурна залежність коефіцієнта спінової дифузії вздовж лінії фазової рівноваги ОЦК - ГЩУ фаз та кривої плавлення.

Виявлено новий аномально швидкий дифузійний процес, що спостерігається тільки тоді, коли ОЦК фаза і ГЩУ фаза існують одночасно. Цей процес, певно має місце в рідких краплях, які утворюються в кристалі під час ОЦК - ГЩУ переходу.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Михин Н. П., Полев А. В., Шварц В. А., Рудавский Э. Я. Спин - решеточная релаксация в расслоившемся твердом растворе 3Не - 4Не // ФНТ. - 1997. - T. 23, №5/6. - С. 606-614.

Rudavskii E., Mikhin N., Omelaenko N., Polev A., Shvarts V. Magnetic and thermal relaxation in phase - separated solid 3He - 4He mixtures // J. Low Temp. Phys. - 1998. - Vol. 113, №5/6. - P. 781-786.

Rudavskii E., Polev A., Shvarts V., Syrnikov E. Spin - spin relaxation in phase separated 3He - 4He solid mixtures // J. Low Temp. Phys. - 2000. - Vol. 121, №5/6. - P. 707-712.

Mikhin N., Polev A., Rudavskii E. Spin Diffusion Processes in Solid 3He - 4He Mixtures near the BCC - HCP Phase Transition at the Melting Curve // J. Low Temp. Phys. - 2002, - Vol. 127,№ 5/6. - P. 279-287.

Shvarts V., Polev A., Mikhin N., Rudavskii E. Magnetic relaxation processes in phase separated solid 3He - 4He solution // Second International Conference on Cryocrystals. - Polanica-Zdroj (Poland).-1997.-P.1-18.

Mikhin N. P., Polev A. V., Rudavskii E. Ya., Shvarts V. A. and Syrnikov E. V. Nuclear magnetic relaxation in two-phase 3He - 4He quantum crystal down to 1 mK // International symposium on ultralow temperature physics. - St. Petersburg (Russia). - 1999. - P.40.

Rudavskii E., Polev A., Shvarts V., Syrnikov Ye. Spin - spin relaxation in phase separated 3He- 4He solid mixtures // QFS 2000, International symposium on quantum fluids & solids. - University of Monnesota, (USA).-2000. - P.7-14.

Mikhin N., Polev A., Rudavskii E. Diffusion Processes in Solid 3He - 4He Mixtures Near the BCC - HCP Phase Transition // International Symposium on Quantum Fluids and Solids. - Konstanz (Germany). - 2001. - P. 31.

Mikhin N. P., Polev A. V., Rudavskii E. Ya. Formation of liquid droplets under BCC - HCP transition on the curve of 3He - 4He liquid mixture solidification // International Conference. Physics of Liquid Matter: Modern problem. - Kyiv (Ukraine). - 2001. - P. 170.

Михин Н. П., Полев А. В., Рудавский Э. Я. Cпиновая диффузия в твердых растворах 3Не- 4Не вблизи ОЦК - ГПУ перехода // Материалы 5 - й Международойя конференция "Физические явления в твердых телах". - Харьков (Украина). - 2001. - С. 67.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Голуб А. А., Гончаров В. А., Литвинов В. Р., Михеев В. А., Рудавский Э. Я., Токарь Ю. А., Усенко А. М., Шварц В. А. Рефрежиратор ядерного размагничевания с автоматизированной системой управления, сбора и обработки экспериментальных данных // ФНТ. - 1995. - Т.21, №9. - С.974-982.

2. Шварц В. А., Михин Н. П., Рудавский Э. Я., Усенко А. М., Токарь Ю. А., Михеев В. А. Кинетика изотопического фазового разделения и диффузионные процессы в твердом растворе 3Не - 4Не // ФНТ. - 1995. - , Т. 21, №9. - С. 717-722.

3. Guyer R. A., Richardson R. C., Zane L. I. Excitation in quantum crystals // Rev. Mod. Phys.- 1971. - Vol. 43, - P.532.

4. Torrey H. C. Nuclear Spin Relaxation by Translational Diffusion // Phys. Rev. - 1953. - Vol. 92, №4- P. 962-969.

5. Greenberg A. S., Thomlinson W. C., and Richardson R. C. Nuclear magnetic resonance studies of isotopic impurity tunneling in solid h.c.p. 4He // J. Low Temp. Phys - 1972. - Vol.8, №1/2. - P.3 - 28.

6. Carr H. Y., Purcell E. M. Effect of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiment // Phys. Rev. - 1954. - Vol. 94, №3. - P.630 - 638.

7. Miyoshi D. S., Cotts R. M., Greenberg A. S., Richardson R. C. NMR in solid 3He - 4He mixtures between 0,3 and 2,0 K // Phys. Rev. - 1970. - Vol.A2, №3. - P.870-882.

8. Richards M. G., Pope J., Tofts P. S., and Smith J. H. NMR measurements on dilute solutions of 3He in solid 4He // J. Low Temp. Phys - 1976 - Vol. 24, №1/2. - P.1-24.

9. Hirayoshi Y., Mizusaki T., Maegava S., Hirai A. NMR studies in 3He - 4He and 3He - 3He tunneling motions in solid 3He - 4He mixtures // J. Low Temp. Phys. - 1978 - Vol. 30, №1/2. - P.137 - 152.

10. Михеев В. А., Слюсарев В. А. Затухание спинового эха в случае

квазиодномерной квантовой диффузии// ФНТ. - 1981. - Т. 7, №3. - С. 379-382.

11. Hann E. L. Spin ehoes // Phys. Rev. - 1950. - Vol. 80, №4. - P.580 - 594.

12. Григорьев В. Н., Есельсон Б. Н., Михеев В. А. Диффузия 3Не в ОЦК и ГПУ фазах твердых растворов изотопов гелия // ЖЭТФ. - 1974. - Т. 66, №1. - С. 319 - 329.

13. Berent I., Polturak E. Self Diffusion in Solid 4He and 3He - 4He Mixtures Near the bcc - hcp Phase Transition // J. Low Temp. Phys - 1998. - Vol.112, № 5/6. - P. 337-353.

14. Garvin R. L., Reich H. A. Self vdiffusion and relaxation in 3He // Phys. Rev. - 1959. - Vol. 115, №6. - P.1478-1492.

АНОТАЦІЇ

Полєв А.В. Ядерна магнітна релаксація та спінова дифузія у твердих розчинах 3Не - 4Не при наднизьких температурах. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.09 - Фізика низьких температур. На правах рукопису. Фізико-технічній інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Вперше проведені систематичні дослідження ядерної магнітної релаксації в двофазних кристалах, які утворюються в твердих розчинах 3Не - 4Не внаслідок фазового розшарування. За допомогою імпульсного ядерного магнітного резонансу виміряні часи спін-граткової та спін-спінової релаксації в області температур 1 - 300 мК.

Отримані експериментальні дані дозволили ідентифікувати механізми ядерної магнітної релаксації в рамках моделі Гарвіна-Ландесмана. Виявлено, що для концентрованої фази область обмінного плато пов'язана з тунельним обміном 3Не - 3Не, а для розбавленої ГЩУ фази домінуючий вклад вносить тунельний обмін 3Не - 4Не. При самих низьких температурах виявлено аномальний спад сигналу спінової луни, який може бути пояснений проявою квазіодновимірної дифузії атомів 3Не вздовж дислокаційних ліній.

Також проведено дослідження спінової дифузії 3Не у слабкому твердому розчині 3Не у 4Не поблизу ОЦК-ГЩУ переходу. Встановлено, що поряд з дифузійними процесами, які відповідають рівноважним фазам - ОЦК, ГЩУ та об'ємній рідині, спостерігається додатковий дифузійний процес, що характеризується високим значенням коефіцієнта дифузії, близьким до відповідного значення для рідкого гелію, а сама дифузія є просторово обмеженою. Спостережений ефект може бути пов'язаний з появою рідких крапель під час ОЦК - ГЩУ переходу.

Ключові слова: гелій, квантові кристали, фазове розшарування, фазовий перехід, спін - граткова релаксація, спін - спінова релаксація, зеєманівська та обмінна підсистеми, спінова луна, спінова дифузія, ядерний магнітний резонанс.

Полев А. В. Ядерная магнитная релаксация и спиновая диффузия в твердых растворах 3Не - 4Не при сверхнизких температурах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.09 - Физика низких температур. На правах рукописи. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2002.

Впервые проведены систематические исследования процессов ядерной магнитной релаксации в двухфазных кристаллах, образующихся в твердых растворах 3Не - 4Не в результате фазового расслоения. Исследуемая система представляла собой мелкодисперсные включения концентрированной ОЦК фазы, внедренные в разбавленную ГПУ фазу. С помощью импульсного ядерного магнитного резонанса измерены времена спин-решеточной () и спин-спиновой релаксации () в области температур 1 - 300 мК.

Полученные экспериментальные данные позволили идентифицировать механизмы ядерной магнитной релаксации в рамках модели Гарвина - Ландесмана. Обнаружено, что для концентрированной фазы область обменного плато, связанного с туннельным обменом 3Не - 3Не, простирается практически во всей области существования фазы, как для , так и . При этом времена и определяются взаимодействием зеемановской и обменной подсистем и находятся в хорошем количественном согласии с экспериментом. Для разбавленной ГПУ фазы наблюдаемый рост и с понижением температуры связан с соответствующим изменением концентрации в меру фазовой диаграммы. Для этой фазы релаксация также описывается обменным механизмом, однако теперь доминирующий вклад в процессы спин-решеточной и спин-спиновой релаксации вносит туннельный обмен 3Не - 4Не. При самых низких температурах обнаружено аномальное затухание сигнала спинового эха, которое может быть объяснено проявлением квазиодномерной диффузии атомов 3Не по дислокационным линиям.

В диссертации также проведено экспериментальное исследование спиновой диффузии 3Не в слабом твердом растворе 3Не в 4Не на линии фазового равновесия ОЦК - ГПУ и на кривой плавления. Примененные методики спинового эха позволили разделить вклады, вносимые всеми сосуществующими фазами. Было установлено, что наряду с диффузионными процессами, соответствующими равновесным фазам - ОЦК, ГПУ и объемной жидкости, наблюдается дополнительный диффузионный процесс, характеризующийся высоким значением коэффициента диффузии, близким к соответствующему значению для жидкого гелия, а сама диффузия является пространственно ограниченной. Наблюдаемый эффект может быть связан с возникновением жидких капель в процессе ОЦК - ГПУ перехода.

Ключевые слова: гелий, квантовые кристаллы, фазовое расслоение, фазовый переход, спин - решеточная релаксация, спин - спиновая релаксация, зеемановская и обменная подсистемы, спиновое эхо, спиновая диффузия, ядерный магнитный резонанс.

Polev A. V. Nuclear magnetic relaxation and spin diffusion in solid 3He - 4He mixtures at ultralow temperatures. Manuscript.

Thesis for а candidate's degree in physics and mathematics, speciality 01.04.09 - Low Temperature Physics. By right of a manuscript B. I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering NAS Ukraine, Kharkov, 2002.

The processes of nuclear magnetic relaxation in two - phase crystals formed in solid 3He - 4He mixtures due to phase separation have been studied systematically for the first time. The times of spin - lattice and spin-spin relaxation in the region of 1 - 300 mK were measured by the pulsed NMR technique.

The obtained experimental results have allowed to identify the mechanisms of nuclear magnetic relaxation in the framework of the Garvin-Landesman model. It is found that in the concentrated phase the exchange plateau relates to the tunnel 3He - 3He exchange, for the diluted HCP phase the tunnel 3He - 4He exchange makes the predominant contribution. At the lowest temperatures we have detected anomalous attenuation of the spin echo signal which can be attributed to quasi-one-dimensional diffusion of the 3He atoms along dislocation lines.

The Thesis also describes the investigation of the spin 3He diffusion in a weak solid 3He - 4He solution. It is found that along with the diffusion processes corresponding to the BCC-HCP-bulk liquid equilibrium, there is another diffusion process which is characterised by high diffusion coefficients close to that of liquid helium, while the diffusion itself is spatially restricted. The effect observed can be related to the formation of liquid drops during the BCC - HCP transition.

Key words: helium, quantum crystals, phase separation, phase transition, spin-lattice relaxation, spin-spin relaxation, Zeeman and exchange subsystems, spin echo, spin diffusion, nuclear magnetic resonance.

Размещено на Allbest.ru