Резонансные акустические моды на границе раздела жидкий ⁴ Не-медь тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Семенов, Александр Сергеевич АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ
1992 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.09 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Резонансные акустические моды на границе раздела жидкий ⁴ Не-медь»
 
Автореферат диссертации на тему "Резонансные акустические моды на границе раздела жидкий ⁴ Не-медь"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ имени П.Л.КАПИЦЫ

на правах рукописи

СЕМЕНОВ Александр Сергеевич

УДК 538.941

РЕЗОНАНСНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ МОДЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ЖИДКИЙ 4Не - МЕДЬ

Специальность 01.04.09 - Физика низких температур и криогенная техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в Институте Физических Проблем РАН имени П.Л. Капицы

Научный руководитель: д. ф. м. н. К.Н. Зиновьева

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Н. Васильев, доктор физико-математических наук М.И. Каганов.

Ведущая организация:

Физический Институт РАН.

Защита состоится 21 октября 1992 года в 10 часов на заседании Специализированного ученого совета Д 003.04.01 при Институте Физических Проблем РАН им. П.Л.Кашщы 117334, Москва, ул. Косыгина 2 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физических проблем РАН.

Автореферат разослан 21 сентября 1992 года.

Ученый секретарь Совета,

доктор физико-математических наук

Л.А. Прозорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Возможность существования упругих поверхностных волн впервые была предположена Репеем (Rayleigh)[l] в 1887 г. Эти волны представляют собой моды распространения упругой энергии вдоль свободной поверхности бесконечного полупространства; их амплитуды экспоненциально убывают с глубиной, таким обраоом вся их энергия сосредоточена в узком приповерхностном слое толщиной порядка длины волны. В настоящей диссертации описан метод исследования поверхностных волн при серхниэких температурах (100 — 400 тК), в основу которого положено изучение явлений резонансного рассеяния акустических фононов на границе par о ела между жидким 4 Не и твердым телом. Полученные этим методом результаты сравниваются с обобщенной акустической теорией, предложенной Халатниковым для объяснения сопротивления Капицы. Обсуждается возможность использования метода для наблюдения резонансного рассеяния поверхнстных волн на параболических поясках поверхнсти Ферми и возможность наблюдения резонансного теплообмена связаноного с резким (порядка единицы [2]) увеличением коэффициента прохождения акустической энергии при релеевском угле падения. Теретпчески рассчитан угловой спектр прохождения акустических фононов из в монокристалл меди для нескольких кристаллографических плоскостей. Резонансные особенности спектра могут быть использованы для изучения угловых спектров эмиссии тепловых фононов.

На сегодняшний день считается установленным, что тепловое сопротивление Капицы связано с акустическим рассогласованием контактирующих сред. Хорошо известно, однако, что в случае контакта жидкого гелия и твердого тела экспериментально наблюдаемые величины проводимости Капицы обычно отличаются более чем на порядок от теоретических значений (как от теории акустического рассогласования Халатникова, так и от теории радпацп-

онного предела). По этой причине прямые намерения коэффициента прохождения фононов через границу представляют большой интерес. К тому же обе теории содержат феноменологический параметр диссипации поверхностных акустических возбуждений, который должен быть измерен.

До сих пор имеется очень мало подобных измерений. Основная часть их относится к изучению частотных, а не угловых спектров, что, по-видимому, связано со сложностью создания систем вращения образца при сверхнизких температурах. Имеется, однако, работа [3] где приводятся результаты измерения угловых спектров эмиссии в адсорбции тепловых фононов поверхностью NaF. Измеренные спектры ясно показывают существование критического конуса, но не дают абсолютной величины коэффициента прохождения и не содержат детальной информации о распределении энергии в пределах критического конуса. Зиновьевой [4] опубликованы данные по прохождению акустических фононов в монокристалл вольфрама, которые показывают существование резонансного прохождения энергии при релеевских углах падения, но не содержащие предсказываемых теорией минимумов ва границе между областями продольных и поперечных мод, вероятно, пз-за сильного рассеяния ультразвука в вольфраме. Оставалась также неясной причина усиления прохождения при углах падения, близких к нормальным. В самое последнее время Киндером (Kinder) и соавторами изучались уговые спектры прохождения тепловых фононов через границу монокристалла кремния [5]. Ими обнаружены резонансные пики в угловом распределении фононов, однако, так измерения проводились "со строны твердого тела", а не со стороны жидкости, то невозможно уверенно утверждать, что концентрация энергии вызвана резонансными эффектами на поверхности, а не объемной фокусировкой. По той же причине нет информации о прохождении энергии при релеевских закритических углах падения (им вообще не соответсвует никакая объемная волна).

Самостоятельный интерес представляет изучение рассеяния фононов на поверхности сильно анизотропной среды. В этом случае

теория предсказывает резонансное прохождение фононов в кристалл при возбуждении псевдоповерхностной водны. Тккое явление действительно наблюдалось автором. С точки зрения теории сопротивления Капицы резонансное взаимодействие фононов с псевдоповерхностной волной существенно при рассмотрении диэлектрических кристаллов и сверхпроводников, у которых отсутствует естественная диссипация чисто поверхностной волны.

Научная новизна работы

Проведены исследования прохождения фононов из жидкого <Нев монокристалл меди для всей плоскости (001) в интервале температур 100-400 тК и при частотах 10-300 МНг с угловым разрешением ~ 1' (область в которой проведены измерения показана на рис. 1). Проделан соответствующий теоретический расчет коэффициента прохождения. Показано, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими.

Экспериментально обнаружен эффект резонансного прохождения фононов при взаимодействии с псевдоповерхностными модами вдлизи направлений {110}.

Теоретически показала возможность существования резонансного теплообмена между двумя идентичными монокристаллами. Обсуждается возможность использования этого явления для экспериментального измерения угловых спектров о миссии и поглощения фононов поверхностью.

Апробация работы.

Результаты изложенные в диссертации докладывались автором на:

• 26 и 28 Всесоюзных совещаниях по физике нпзхих температур (Донецк 1990, Казань 1992);

• Международной конференции по рассеянию фононов (Корнелл, США, 1992)

Результаты диссертации опубликованы в статье

• К.Н. Зиновьева, Г.Э. Карстенс, A.B. Кашлюк, A.C. Семенов Резонансное поглощение овука монокристаллом меди. Письма в ЖЭТФ, т.51, (1990), с.332-335

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит но введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 90 страниц и включает в себя основной текст, список литературы из 40 наименований и 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновала актуальность темы, дается обзор основных работ связанных с темой диссертации. Выделены четыре основные проблемы по которым проводятся исследования: собственно поверхностные акустические моды, сопротивление Капицы, рассеяние фононов на границе раздела сред, объемные резонансные эффекты при распространении фононов; показана взаимосвязь между этими областями. В частности, во введении рассматривается природа сопротивленя Капицы, дается представление о роли резонансных эффектов для его оценки.

Во второй главе (по техническим причинам введение пронумеровано как первая глава) последовательно изложена обобщенная акустическая теория, использованная автором для численного расчеста прохождения фононов. Приводятся основные уравнения, описана комьютерная реализация вычислений и представлены результаты расчетов (рис. 2). Согласно расчетам изочастотная поверхность в пространстве волновых векторов для монокристалла меди имеет невыпуклую форму, что приводит к существованию псевдоповерхностных волн на поверхности (001) вблизи направлений {110}. Аналогичные моды существют также на поверхности

(Ill), но отсутствуют на поверхности (011). Описаны обобщенная акустистическая теория сопротивления Капицы и альтернативная теория радиационного предела.

В третьей главе описывается экспериментальная техника, примененная для наблюдения угловых спектров прохождения фононов в образец.

Эксперименты были проведены методом перегрева образца прошедшим ультразвуком, разработанным ранее Зиновьевой [4]. Основное внимание автором уделялось увеличению углового разрешения и отношения сигнал/шум. Описываются эксперимнтальные приемы, примененные автором для улучшения этих характеристик. Обоснован выбор материала образца и описан метод его приготовления из сверхчистого монокристалла меди, включающий электроискровую резку, механическую и электрохимическую полировку поверхности, а также метод контроля ее геометрического качества. Оценивается скорость угловой развертки, необходимой для получения максимального углового разрешения. Для развязки измерительной цепи от сетевой наводки было применено питание от аккумуляторов со стабилизацией напряжения питания, что обеспечивает долговременную стабильность параметров схемы. С целью избавиться от нежелательных наводок от самописца запись результатов проводилась с помощью компьютера. Последнее позволило также проводить численную обработку результатов и легко оперировать с большим количеством записей (более сотни).

Достигнутое разрешение 1') может быть охарактеризовано тем, что оно позволило наблюдать тонкое расщепление резонанса, вызванное слабым двойнихованпеммонокристаллического образца (изгиб кристаллической плоскости ~ 2°), что было впоследствии подтверждено рентгеноструктурным анализом. Было достигнуто отношение сигнал/шум до 200. Его качество характеризуется возможностью проводить измерения на частотах до 300 MHz (21 гармоника кварцевого преобразователя) и при температурах от 100 тК до 400 тК.

В четвертой главе приводятся результаты измерений. Полу-

ченные результаты хорошо согласуются с расчетом по обобщенной акустической теории (рис. 4). На кривых отчетливо наблюдаются все предскаяьгоаеые теорией особенности, а именно: наличие острых резонансов, соответствующих как релеевским, так и псевдоповерхностным модам; хорошо разрешены области объемных продольных (в цетре) и поперечных (по бокам) мод, и область закритических углов (с краю), разделенные глубокими минимумами коэффициента прохождения. Дано объяснение наличию дополнительных пиков и общего увеличения прохождения энергии при углах падения, близких к нормали, как эффекта многокртных отражений ультразвука между образцом и кварцем.

Полученные экспериментальные результаты позволяют провести оценку полной проводимости Капицы как интеграла от измеренной дифференциальной проводимости. Полученное этим методом значение проводимости вдвое меньше имеренной при тех же температурах экспериментальной величины. Расхождение можно отнести за счет вклада более энергичных фононов, чем те, для которых фактически выполнены измерения: максимальные достигнутые энергии фононов соответствуют приблизительно температуре 3 тК, тогда как сопротивление Капицы измерялось при 100 шК.

Так кал резонансные эффекты наблюдались при всех достигнутых энергиях фононов, то естественным является предположение, что их можно наблюдать и с настоящими тепловыми фононамп. Прямым следствием такого предположения является возможность существования эффекта резонансноного теплообмена, при котором в узком диапозоне взаимных ориентации излучателя тепловых фононов и приемника, их взаимное взаимное тепловое равновесие наступает быстрее, чем ними и разделяющим их жидким Автором проведены соответствующие теоретические расчеты для случая теплообмена между двумя идентичными монокристаллами меди (рис. 3). Обсуждается возможность использования данного эффекта для измерения двумерных спектров излучения/поглощения тепловых фононов поверхностью монокристалла.

В заключении перечислены основные результаты полученные

в диссертации.

Тккпм обраоом в диссертации получены следующие основные

результаты:

• Экспериментально обнаружен эффект резонансного прохождения фононов при взаимодействии с псевдоповерхностной волной.

• Показано, что прохождение низкочастотных фононов хорошо описывается обобщенной акустической теорией.

• Теоретически предсказана возможность существования нового явления - резонансного теплообмена.

Литература

[1] Rayleigh. London Math. Soc. Proc., 17(4), 1887.

[2] Андреев А.Ф. Об аномальном отражении звука от поверхности металла при низких температурах. ЖЭТФ, 43:358-360,1962.

[3] A.G.F. Wyatt, G.J. Page, and R.A. Sherlock. Angular accptance of phonons in NaF. Physical Reviev Letters, 36:1184-1187,1976.

[4] Зиновьева K.H. Резонансное поглощение звука поверхностью металла. Письма в ЖЭТФ, 28:294-298,1978.

[5] Н. Kinder, K.H. Wichert, and С. Hofl. Kapitza resistance: Angular phonon distribution in solid. In Proceedings of the Seventh International Conference on Phonon Scattring in Condeced Matter, 1992.

Frequency, Mhz

Рисунок 1: Область частот и температур, в которой были выполнены измерения прохождения акустической энергии в монокристалл меди (каждому проведенному измерении» соответствует точка на графике). Выше прямой / - лТ~* длина пробега фонона в 4Не становится меньше расстояния от кварца до образца. Показана также область тепловых фононов / - а.Т~*\ максимально достигнутые частоты в 10 раз меньше частоты тепловых фононов.

-8. -6. -4. -г. 0. 2. 4. б. 8.

.00 .01 .02 .03 .04 .05 .06

Рисунок 2: Теоретически рассчитанный двумерный спектр прохождения фононов через плоскость (001) монокристалла меди. Жирными линиями показаны траектории, вдоль которых были получены экспериментальные спектры. Эквивалентные им в силу кристаллической симметрии направления показаны тонкими линиями. Тщательно изучена вся плоскость.

АТ, тпК а{в)

Угол 9, градусы

Рисунок 3: Экспериментальный спеку£ <¿>-22°, Г-140тК, /-38.89М1Ь и соответствующая теоретическая кривая (пунктир).

-12. -8. -4. О. 4. 8. 12.

Рисунок 4: Теоретически рассчитанный двумерный спектр резонансного теплообмена.