Импульсный ЯМР в 3Не-В тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Сверхтекучие фазы %е.

1.1. Параметр порядка сверхтекучих фаз %е.

Я 42.

1.2. ЯМР в сверхтекучих фазах Не.'

1.3. Влияние стенок на свойства %е-В.

1.4. Магнитная релаксация в Не-В.Г

Глава 2. Экспериментальная установка.

2.1. Метод ядерного размагничивания.

2.2. Криостат ядерного размагничивания.

2.3. Экспериментальная камера.

2.4. Методика измерений.

2.5. Системы очистки Не и контроля концентрации в 3Не.

Глава 3. Текстурный переход в Не-В индуцированный внешним радиочастотным полем.

Глава 4. Расслоение прецессии в Не-В на два магнитных домена.

4.1. Долгоживущий сигнал индукции в Не-В (эксперименты в камере А).

4.2. Механизм формулирования ДСИ.

4.3. Эксперименты по наблюдению разбиения образца ^Не-В на два домена.

4.4. Влияние процессов магнитной релаксации и геометрии экспериментальной ячейки на формирование двухдо-менной структуры.^

Глава 5. Релаксация двухдоменной структуры.

В 1936 году П.Л.Капица экспериментально показал, что при температуре Т^ = 2,17 К жидкий %е испытывает фазовый переход в новое состояние, названное сверхтекучестью. Этот переход, как оказалось связан с Бозе-конденсацией атомов %е. Другой стабильо ный изотоп гелия - Не является Ферми-жидкостью (спин ядра равен 1/2) и, казалось, не может быть сверхтекучим. Однако после создания микроскопической теории сверхпроводимости стало ясно, что если взаимодействие атомов Не сводится к притяжению, то при достаточно низких температурах они могут образовывать куперовские пары. Полный спин такой пары является уже целым числом и пары поэтому ведут себя как бозе-частицы. В 1959 году Л.П.Питаевский показал, что куперовское спаривание атомов Не, обусловленное Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием, должно происходить в состоянии с отличным от нуля орбитальным моментом пары [I] . Поиски сверхтекучего перехода в Не, начавшиеся после этого увенчались успехом лишь в 1972 году [2,3] . Неожиданным оказалось то, что было обнаружено две сверхтекучих фазы - названные фазами А и В (позднее в присутствии магнитного поля была открыта еще одна сверхтекучая фаза - [4] ). Эти фазы существуют лишь при температурах не выше 2,7 мК. Сравнение экспериментальных данных и теоретических моделей показало, что во всех сверхтекучих фазах Не происходит спаривание в состояние с орбитальным моментом пары | = I и полным спином пары 5=1, причем А-фаза соответствует модели предложенной ранее Андерсоном и Морелом [б] , а В-фаза - модели Бальена-Вертхамера [б] . К настоящему времени о сверхтекучих фазах Не накоплен уже довольно большой объем информации, причем значительная ее часть была получена при помощи методов ЯМР, которые позволяют изучать и не собственно магнитные о явления в Не по производимым ими изменениям в магнитных свойствах. Поэтому весьма важным является ясное понимание спиновой дия я намики сверхтекучих фаз Не. Эксперименты по ЯМР в Не проводились как методами импульсного, так и методами непрерывного ЯМР. При этом в экспериментах по импульсному ЯМР обычно изучался сигнал свободной прецессии намагниченности, после отклонения ее мощным радиочастотным импульсом на большой угол. Вскоре после открытия сверхтекучести %е Леггетт С?] вывел систему уравнений описывающую спиновую динамику для случая спаривания с 1=1; $=1. Многие эксперименты по ЯМР в сверхтекучем Не хорошо описываются теорией Леггетта. В ряде экспериментов, однако, были обнаружены неожиданные эффекты. Так в первых экспериментах по импульсному ямр свободного (т.е. заключенного в достаточно больо шую экспериментальную ячейку) Не-В иногда наблюдался сигнал свободной индукции спадающей по интенсивности существенно медленнее, чем следовало ожидать из величины имеющейся неоднородности внешнего магнитного поля[8,9] . Интенсивность долгоживущей части сигнала индукции в этих экспериментах не превышала 10$ от начальной интенсивности сигнала. По этой причине, а также из-за плохой повторяемости результатов, систематических исследований этого эффекта произведено не было, однако сам факт наблюдения такого сигнала указывал на неполное понимание спиновой динамики в °Не-В. В наших экспериментах нам удалось получить долгоживущии Я сигнал индукции в Не-В большой интенсивности и провести его систематические исследования. Полученные результаты послужили стимулом для теоретических исследований, которые позволили И.А.Фомину построить теорию этого явления [юЗ . Согласно этой теории долгоживущий сигнал индукции связан с образованием особой двух-доменной структуры образца Не-В. В одном из доменов намагниченность близка к равновесной и не прецессирует; в другом отклонена от направления магнитного поля и прецессирует в фазе. Проведенные нами дополнительные эксперименты полностью подтвердили предсказания теории.

Исследования долгоживущего сигнала индукции прояснили ситуацию с продольной магнитной релаксацией в Не-В. Предыдущие эксперименты по изучению продольной магнитной релаксации (т.е. процесса восстановления продольной компоненты намагниченности после отклонения намагниченности от равновесного положения) дали противоречивые результаты и не объяснялись теорией [8,9,11,12] . Интерпретация результатов этих экспериментов осложняется тем об3 стоятельством, что в Не-В возможно существование не только массовых, но и спиновых сверхтекучих токов. Эти токи могут ПереНО

Сг сить намагниченность из одной части образца Не в другую. Сверхтекучие спиновые токи таким образом могут приводить к "кажущейся" магнитной релаксации за счет притока продольной намагниченности в экспериментальную ячейку из других частей экспериментальной камеры, в которых намагниченность не была отклонена. Образование долгоживущего сигнала индукции в этом случае затруднено и на релаксацию оказывает большое влияние геометрия экспериментальной камеры. Именно эти ситуация и имела место в работах [8, 9, 11,12] . Однако если образец %е разбился на два домена, то при определенных условиях сверхтекучие токи отсутствуют, что позволило нам исследовать процессы магнитной релаксации в "чистом" виде. Результаты этих экспериментов оказались в хорошем согласии с теорией [ю] и позволили измерить величину коээфициента спиноя я вой диффузии в Не-В. На свойства ЯМР в Не-В кроме геометрии экспериментальной ячейки существенное влияние оказывают непосредственно стенки экспериментальной ячейки. Спиновая динамика вблизи стенок (а именно на расстояниях меньше так называемой магнитной длины отличается от случая свободного %е (т.е. о

Не находящемся далеко от стенок камеры). Вблизи стенок частота

- 6 непрерывного ЯМР (т.е. для малых углов отклонений намагниченности) сильно сдвинута от Ларморовской [13,14] . При экспериментах по импульсному ЯМР углы отклонения намагниченности больше. 3

Свойства ЯМР Не расположенного близко к стенкам в этом случае ранее не исследовались. Мы провели эксперименты по импульсному

ЯМР в Не-В находящегося в камере заполненной набором близкоотстоящих пластин. Оказалось, что если отклоняющий радиочастотный

РЧ) импульс достаточно мощный, то движение намагниченности в з этом случае не отличается от случая свободного Не. Таким образом, мы показали, что при экспериментах по импульсному ЯМР в Не-В влияние стенок на спиновую динамику при больших углах отклонения намагниченности от равновесной мало.

В целом, исследования представленные в диссертации углубили понимание спиновой динамики и привели к принципиальному пониманию магнитной релаксации в Не-В.

Эксперименты со сверхтекучим Не должны проводиться при температурах порядка I мК. В 1982 году в ИФП АН СССР при участии автора диссертации был создан криостат ядерного размагничивания с помощью которого удается охлаждать экспериментальную камеру с Не до температуры мК. Все оригинальные эксперименты описанные в данной диссертации были проведены в этом криостате.

Материал диссертации следующим образом распределен по главам:

В первой главе дается краткий обзор теоретических представлений о сверхтекучих фазах Не и экспериментальных работ по ЯМР 3Не-В.

Во второй главе описана конструкция и рабочие характернотики ступени ядерного размагничивания, являющейся важнейшей частью криостата ядерного размагничивания. В этой главе описаны также 3 некоторые важные для проведения экспериментов с Не детали эк

- 7 спериментальной установки и методика проведения экспериментов.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по импульсному ЯМР Не-В вэкспериментальной ячейке заполненной набором близкоотстоящих пластин.

В четвертой главе диссертации представлены исследования долгоживущего сигнала индукции в Не-в.

В пятой главе описаны исследования релаксации двухдоменной структуры, приведены результаты измерений коэффициента спиновой я диффузии в Не-В.

В Заключении перечислены и обсуждаются основные результаты, полученные в диссертации и рассматриваются возможные дальнейшие эксперименты.

Основные результаты изложенные в диссертации опубликованы в работах [15-г17] и доложены на:

1. 22-м и 23-м Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Кишинев 1982 г., Таллин 1984 г.).

2. Международном симпозиуме К0ТА-83 (Мцхета, 1983 г.).

3. Советско-Финляндском симпозиуме по физике твердого тела и низких температур (Звенигород, 1984 г.).

4. Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах (Казань, 1984 г.).

5. Бакурианских школах по физике гелия и некоторым вопросам сверхпроводимости (Бакуриани, 1982-1985 гг.).

6. Всесоюзной школе по ЯМР (Таллин, 1983 г.).

7. Общемосковском семинаре по магнетизму (ИФП АН СССР, 1982-1985 гг.).

- 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами вошедшими в диссертацию являются следующие:

1. Изготовлена первая в СССР установка позволяющая получить и длительное время поддерживать в экспериментальной камере температуры I мК. В ячейке с Не достигнута температура 0,42 мК.

2. Экспериментально показано, что при ЯМР-исследованиях 3

Не-В, расположенного в зазорах между параллельными пластинами, з возможен переход к текстуре свободного Не. Результаты этой работы позволяют существенно упростить интерпретацию экспериментов з по импульсному ЯМР в Не-В.

3. Проведены систематические исследования долгоживущего сиг3 нала индукции в Не-В,стимулировавшие развитие теории. Доказано з образование двухдоменного состояния образца Не после отклонения намагниченности на большие утлы.

4. Доказана важная роль сверхтекучих спиновых токов при ЯМР з исследованиях Не-В. Предложен метод для их исследования.

5. В результате исследований двухдоменного состояния возз никло понимание процессов релаксации в Не-В. Предложено объяснение результатов предыдущих экспериментов по магнитной релакса-з ции в Не-В. Проведены исследования релаксации двухдоменной структуры, являющиеся первыми исследованиями магнитной релакса3 ции в Не-В в условиях отсутствия значительных сверхтекучих спиновых токов.

Таким образом, полученные в диссертации результаты, позволили понять ряд принципиально важных вопросов физики сверхтеку3 чего Не. Обсудим теперь некоторые, непосредственно вытекающие из результатов диссертации, предложения по дальнейшему исследованию сверхтекучего 3Не# Как отмечалось в п.4.3 разница в сигна

- 91 лах ДСИ при противоположных направлениях градиента при соответствующем выборе геометрии экспериментальной ячейки является характеристикой сверхтекучих спиновых токов. Не является магнитной сверхтекучей жидкостью, единственной в своем роде. Исследования сверхтекучих спиновых токов ранее не проводились и представляются весьма важными.

Другими не менее важными исследованиями на наш взгляд, являются поиски эффекта Джозефсона в Не. Эти поиски ведутся безл з успешно уже давно и в Не и в Не, при этом, однако, экспериментаторы надеются обнаружить эффект на массовых сверхтекучих токах. Результаты исследований, изложенные в данной диссертации, позволяют надеятся на получение эффекта Джозефсона на сверхтекучих спиновых токах. Наиболее простым экспериментом мог бы явиться эксперимент с двумя ячейками с Не соединенными небольшим отверстием. Если обе ячейки заполнены ДЩ разных размеров, то разница частот прецессии намагниченности по обе стороны отверстия приводила бы к набегу разности фаз прецессии. Сброс фазы должен приводить к скачкообразным изменениям частоты ДСИ в обеих ячейках, что несложно было бы зарегистрировать при помощи достаточно чувствительной электроники.

Большой интерес представляют измерения температурной зависимости коэффициента спиновой диффузии, в частности следует выяснить причину быстрого уменьшения величины У/при температурах ниже 0,61^. Возможно это связано с эффектом Леггетта-Рай-са [57^ , наблюденным ранее в нормальном %е [бв] . Этот эффект приводит к эффективному уменьшению коэффициента спиновой диффузии при частотах ЯМР порядка /¿с ( V - время соударения квазичастиц ^Не). Измерения Ъ в широком диапазоне частот ЯМР позволят прояснить этот вопрос.

При температурах ниже 0,3 Тс длина свободного пробега ква

- 92 зичастщ Не должна превышать ширину доменной стенки в случае двухдоменного состояния. Наблюдения релаксации ДСИ в этих условиях позволят исследовать Кнудсеновский режим спиновой диффузии ранее никогда не наблюдавшийся.

Дополнительные эксперименты необходимы для понимания процесса формирования ДСИ. В частности, интересно исследовать упомянутые в п.4.3 низкочастотные колебания частоты и амплитуды ДСИ сразу после формирования двухдоменной структуры. Возможно это связано с затухающими колебаниями междоменной границы типа стоячих поверхностных волн. Другим вероятным объяснением этих колебаний является возбуждение стоячих спиновых волн в динамическом магнитном домене.

Развитые в диссертации методы исследования ДСИ позволяют провести ряд количественных измерений в Не-В. Так кроме измерений коэффициента спиновой диффузии при соответствующей процедуре обработки экспериментальных данных возможно измерять значения Использование камеры типа камеры Б позволит провести изгз мерения восприимчивости Не-В с высокой точностью. Действительно, сигнал ДСИ на приемной катушке 2 камеры Б наводится прецес-сирующей намагниченностью отклоненной на угол очень близкий к 104° (его можно точно вычислить по частоте сигнала). При этом не возникает никаких трудностей связанных с текстурой Уь до подачи РЧ-импульса и уменьшающей реальный угол отклонения, по сравнению с утлом отклонения намагниченности в нормальной фазе о

Не таким же РЧ-импульсом.

Все экспериментальные исследования, составившие основу данной диссертации, были выполнены в Институте физических проблем АН СССР во многом благодаря большой поддержке и вниманию академика П.Л.Капицы.

Автор глубоко благодарен своим научным руководителям:

- 93

А.С.Боровику-Романову и Ю.М.Бунькову за внимательное и повседневное руководство, непосредственное активное участие в работе, ценные советы и критику.

Я глубоко признателен также Ю.М.Мухарскому, активно участвовавшему в экспериментах на всех этапах и которому в равной мере принадлежат основные результаты диссертации.

Я благодарен также С.М.Елагину и Г.К.Твалашвили за непосредственное участие в сборке и наладке сверхнизкотемпературной установки.

Мне хочется выразить свою признательность И.А.Фомину за тесное и плодотворное сотрудничество. Теоретические исследования И.А.Фомина, шедшие параллельно с нашими экспериментами во многом способствовали успешному завершению данной работы.

Автор благодарен также В.Л.Голо, А.А.Леману и К.Флахбарту за многочисленные полезные обсуждения результатов.

Автор выражает глубокую благодарность всем работникам Института, способствовашим выполнению данной работы, в особенности коллективам механической, гелиевой и азотной мастерских и сотрудникам Вычислительного центра Института.