Исследование 3НЕ-В с помощью однородно прецессирующего домена тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

^ ь ^ 1 3 ¿1

^ АКАДЕМИЯ НЛУК СССР ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕЙ шэни П.Л.КАПИЦЫ

на правах рукописи

ДМИТРИЕВ Владинир Владимирович

УДК 533.941

ИССЛЕДОВАНИЯ 3НЕ-В С ПОМОЩЬЮ ОДНОРОДНО ПРЕЦЕССИРУВЩЕГО ДОлЕНД

Специальность 01.04.09 - Физика низких температур

и криогенная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте Физических Проблем АН СССР имени П.Л.Капицы

Официальные оппоненты: академик, доктор физико-математических наук Л.П.Питаевский доктор физико-математических наук М.А.Теплов доктор физико-математических наук В.П.Минеев

Ведущая организация: Физико-технический институт чизких температур АН УССР

9 с»

Защита состоится ." ..... /??. 199^ года вЛ5.. .часов на заседании Специализированного ученого совета Д 003.04.0: при Институте Физических Проблем АН СССР им. П.Л.Капицы 117334, Москва, ул.Косыгина 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физических проблем АН СССР

Автореферат разослан

' Ученый секретарь Совета доктор физико-математических наук

Л.А.ПРОЗОРОВА

----- 3 i

i ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

i

i

'Актуальность темы. Понятие "сверхекучесть" объединяет обширный класс явлений, наблюдаемых в сверхпроводниках, сверхтекучем 4Не и сверхтекучем 3Не. Переход в сверхтекучее состояние связан с появлением ниже точки перехода комплексного параметра порядка, представляющего собой волновую функцию бозонов или куперовских пар фермионов, находящихся в одном квантовом состояния (бозе- конденсате ). При этом происходит спонтанное нарушение симметрии систем и возникают новые гидродинамические переменные (т.н. симметрийиые) и новые виды процессов переноса, определяемые градиентами этих переменных. В сверхтекучем ^Не и сверхпроводниках спонтанно нарушается калибровочная иньариантность. Соответствующей симметрийной переменной является фаза параметра порядка, а транспортным меха-

3

низмом - сверхтекучий массовыч ток. Сверхтекучесть Не связана с

куперовским спариванием атомов в состояние с орбитальным моментом

пары L=1 и полным спином пары S=l, причем в зависимости от условий

реализуются три разные сверхтекучие фазы, названные фазами А, Al и

В. Триплетное спаривание и соответственно более сложный вид парада

метра порядка сверхтекучих фаз Не приводят к тому, что их свойства оказываются намного богаче, чем у ранее известных сверхтекучих

о

систем. Так в разных фазах сверхтекучего Не кроме калибровочной инвариантности нарушаются многие другие виды симметрий. Это, а также возможность существования целого ряда топологических дефектов в пространственном распределении параметра порядка, сделали сверхтекучий Не одним из наиболее интересных объектов физики конденсированного состояния. Сегодня трудно найти область физики, с

о *

которой сверхтекучий Не на был бы связан в той или иной мере. Так топологические дефекты параметра порядка Не слуиат моделью многих

гипотетических объектов теоретической физики таких, как например, магнитные монополи или нейтронные звезды. Большой интерес вызывает

ч

такие поиски сверхпроводников со спариванием как в Не и т.д.

К настоящему времени многие наблюдаемые свойства сверхтекуче-

о

го Но хорошо поняты и объяснены теорией, причем во многих случаях достигнуто хорошее количественное согласие теории и эксперимента. Вместе с тем остается еще много неясных вопросов, а продолжающиеся исследования часто приносят новые неожиданные результаты. К моменту начала исследований, составивших основу данной диссертации,

о

одной из нерешенных проблем физики сверхтекучего Не являлся вопрос о сверхтекучих спиновых токах (спиновых сверхтоках). Возможность протекания спиновых сверхтоков связана с нарушением си.чмет-рии вращения спинового пространства в сверхтекучих фазах Не. Так в В-фазе нарушена относительная спин-орбитальная симметрия. Это означает, чю состояние системы изменится, если одновременно повернуть спины всех куперовских пар, оставив их волновые вектора неизменными. Гидродинамическими переменными, связанными с таким нарушением симметрии, являются углы относительного поворота спиновой и орбитальной систем координат, причем градиенты этих углов должны вызывать новый вид сверхтекучего переноса - перенос спина. Такой перенос описывается уравнениями аналогичными уравнениям для массового сверхтока и может происходить независимо от массового тока. Сверхтекучие спиновые токи стали широко обсуждаться в теории сразу »е после того как стало ясно, что спаривание в Не триплет-ное. Одако вплоть до последнего времени прямого экспериментального подтверждения существования таких токов получить не удавалось, хотя было ясно, что они могут существенно влиять на свойства ЯМР. Несколько лет назад было показано, что при ЯМР-экспериментах в

3

Не-В в результате протекания спиновых сверхтоков может образовы-

ваться так называемая д^ухдсменная структура прецессии, состоящая

о

из области, где Не-В находится з равновесии, и однородно-прецес-сирущего домена (ОЯД) [1-3]. В ОПД намагниченность отклонена на угол /5*104° от направлен!1я магнитного поля и прецессирует сфазиро-ванно, причем если ОВД поддерживается непрерывным РЧ-полем, то фаза прецессии задается фазой РЧ-поля. В ОЦД спиновые токи уве не текут. Это, а такие его однородность открывают новые возможности

о

при при ЯМР-исследованиях Не-В. В данной диссертации описываются результаты экспериментов по исследовании Не-В, проведенных е использованием этой новой методики ЯШ\

Научная новизна работа определяется использованием новой кэ-

а

тодикн ЯМР исследований Не-В: однородно-прецессирувщего домена. ОПД позволяет проводить исследования в новых условиях, когда спи-ноЕие сверхтоки отсутствуют или контролируются экспериментатором. Наиболее эффективным оказалось использование ОПД для исследований сверхтекучих спиновых токов. Сан факт существования ОПД уве является подтверждением суцестЕовашш спиновых сверхтоков. Прямое наблюдение контролируемого спинового сг.ерхтока удалось провести соединив два независимых ОПД каналом. Управляя этими 01Щ с помощь» РЧ-поля, нам удалось возбудить спиновый сверхток в канале, переносящий намагниченность из одного ОПД в другой. Увеличивая величину этого тока, лай тагснэ удалось достичь критического значения спинового тока, при котором наблэдалксь сбрсси фазы, т.о. явления аналогичные наблпдае:п.'м в сверхпроводниках и сверхтекучем Нэ. Изменяя условия ^кспоримента, мы наблюдали также переход от режима сбросов фазы к резину аналогичному эффекту Дяюзефсона т.е. к без-гистерезисной токофазозой зависимости. Следуя аналогии между спиновым сверхтоком и массовым;: евзрхтоками в Не или в Не нам удалось такие создать и исследовать спиновый вихрь - спиновый аналог

квантовых вихрей во вращающихся сверхтекучих жидкостях и вихрей Абрикосова в сверхпроводниках.

Кроме исследований спиновых сверхтоков ОПД оказался также эффективным "инструментом" для изучения реальных квантовых вихрей

о

в Не-Б. Вихри, пронизывающие ОПД, вызывают дополнительное поглощение РЧ-мощности, зависящее от структуры нора вихря. Анализ результатов экспериментог по исследованию влияния вихрей на ОПД позволил провести уверенную идентификацию двух типов вихрей, наблю-

а

давшихся ранее в экспериментах с вращающимся Не-В.

ОЦЦ обладает собственными низкочастотными модами колебаний. Измерив частоты этих мод мы получили значения скоростей "перпендикулярных" и "параллельных" спиновых волн, определяющих величину

о

градиентной энергии параметра порядка Не-Б.

Таким образом исследования, составившие предмет диссертации, позволили расширить представления о сверхтекучести в целом и о

я

сверхтекучем Не в частности и показали эффективность использования ОЦЦ для исследований сверхтекучего Не.

Апробация работы. Результаты изложенные в диссертации догладывались и обсуждались на:

1. 24-26 Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Тбилиси 1936г., Ленинград 1988г., Донецк 1990г.).

2. Международных конференциях по физике низких температур ЬТ-18 (Киото, Япония, 1987г.) и ЬТ-19 (Брайтон, Англия. 1990г.).

3. Международной конференции по магнетизму 1СМ-88 (Франция, 1988г.).

4. 24-ом конгрессе АПРЕЛЕ (Познань, Польша, 1988г.).

5. Международной конференции по физике квантовых жидкостей и кристаллов (}Е5-89 (Гейнесвилл, США, 1989г.).

6. Советско-финляндски.: симпозиумах ШУГА

(Ленинград 1958г., Хельсинки 1991г.). 7. 2-он советско - германском сгалюзяумэ по физике сверхнизких температур (Алуита, 1991г.). О, Общеиоскооскои физичоекои сешшаро (Москва, КФП, 1986г.). 9. Сессия отдаления сотей физики и астрономия АН СССР itCSOr.).

структур;?) и объеи диссертации. Диссертация состой? пз Езеден:ш, сэсти глаи и заклзчегаш. Об^ий объем работа составляет 127 страниц иакшсппсного тенсг-з и вклотзкт s себя осдосной текст, список литератур;.! кз 73 пэикеноваикй и 40 рясу^зз.

СОДЕРКМШЕ РАБОТУ Во ваедешгг обоснована сктуальиость тега, привздено краткое содержание работы по пл<зрам.

в перлов глава дается краткий обзор еаювтзх представлений о сверхтекучем °На, рассматриваются основы теории спшгеяого сверх-тока и ОПД. В частности в этой главе подробно рассматривается случай, когда ОПД создается и поддергивается пепрзряшюй РЧ-накачкой. В этом случае частота и фаза прецзссия ОПД практически совпадав? с частотой и фазой РЧ-ноля. Положение доменной границы при этом мокко менять, изменяя однородную составлпс!11уа внесшего поля.

Во второй главе описывается экспериментальная установка и общие для всех описанных mrjo экспериментов детали экспершен-тальшт методик.

в третьей глрл-? опиоавд я обсуждаются эксперименте по йозбув-дониэ и исследования низкочастотных мод колебаний ОПД. При задан-

3

ном значении величины проекции полного магнитного момента Не в яче:л;з состояние с ОПД соответствует минимуму энэргип систем. Лвбое возмуцение ОПД приводит к возникновения градиентов углов о и ,7, т.е. к спиновым -верхтокам, стремящемся вернуть систему в сос-тоышз с однородной грецессчен. В результате могут возникнуть ко-

лебыввд ОВД. В работе [41 было показано, что возможны две низкочастотных кода колебаний ОПД: крутильная и поверхностная. Крутильная кода соответствует в основном осцилляция« фазы прецессии, а поверхностная мода аналогична гравитационным волнам на поверхности жидкости (роль поверхности играет граница мееду ОПД и невозмуцен-

о

нш Йе-В). Еыраяешш для резонансных частот этих мод содержат феноменологические множители сх и с„, имеющие смысл скоростей спиновых волн, распространяющихся в направлениях перпендикулярном и параллельном внешнему магнитному поли. Нам удалось разработать методику, с помощью которой мы могли независимо возбуждать обе колебательные моды ОПД. Это позволило провести измерения как сх, так и с,. Эти изыерения важны для количественных оценок, т..<. величины сх и с,входят в уравнения для спинового сверхтока [1].

Четвертая глава посвящена исследованиям протекание сверхтекучего спинового тока по капилляру. В этой главе описываются и об-суядаются эксперименты, в которых наблюдались сбросы фазы и спиновый аналог эффекта Дяозефсона. Идея экспериментов заключалась в следующем (рис.1). В двух ячейках, соединенных мешду собой гори-зонтальныы каналом, независимыми РЧ-полями создаются и подчеркиваются два ОЦЦ. Пусть в начальный момент времени частоты РЧ-полей одинаковы ("1ЫГц) и оба ОПД затекли в канал, так, что фаза прецессии в канале однородна.• Если теперь изменить частоту одного из РЧ-полей на небольшую величину ("0.1Гц), то в канале возникнет и будет расти градиент фазы прецессии чо. Согласно теории в этом случав в канале долшен возникнуть спиновый сверхток, переносящий продольную компоненту намагниченности из одного ОПД в другой:

гг

С/7.'?

1

ОС7Л\

Ы:

ч чи

Рнс.1

пг 003 1-1 1- 0.05 0.01 А „ з ийг Г Г / /// / С С

-12» -8* -4» У В* В* V 0 4* £г А?> -0.01 Г.- .„и .- ■ 1- .

Рис. 2

Изменение поглощения в одном из ОПД в зависимости от разности фаз прецессий па концах хапала. Н=142Э, Р=»29.3 бар,

т=о.4етс

а 3

где и=со£р, х~Ю -магнитная восприимчивость Не-В и Ё=2033(1/Э-с)-гиромагнитное отношение для ^Не. Этот сверхток со-отватстссшю переносит Зоемановснуа энергии. В результате уровни поглощеши РЧ-мощности е обеих ОПД долзш меняться: в одной поглощение долию расти, а в другом падать. Результаты одного из таких ЕкепериАшнтоа, проведенных с каналом длиной 5.5мм и диаметром О.бьи, приведены на р:;с.2. Полученную зависимость поглощаемой е ОДД мощность от разности фаз РЧ-полеп (ш, что то ;;.е самоа, от разности фаз прецессии на концах канала) ии объясняем следуюцт-: образом. На участке О-В (О-В') происходит изменение поглощения из-за анергии переносимой спиновым сверхтском. В точкр В (В') достигается критическое значение тока, при котором происходит проскальзывание фазы прецессии (на 4а не рис.2). После этого кривая повторяется. Таким образом, при постоянной разности частот РЧ-полей возникает реагин, аналогичный резистивноиу состоянию в сверхпроводящих проволочках. При этом разность частот аналогична разности химпотенш'алов, а оба ОПД играют роль нассишшх злектродоз. Отличие кривой В'-О-В от пряной линии связано с процессами магнитной релаксации в канала: часть энергии, переносимой током, расходуется на компенсацию этой релаксации. Это однако не меняет основного свойства любого сверйтока: ток вызывается не разностью химпо-тенциялоз, а градиентом фазы (градиентеки фаз) параметра порядка. Наличие градиента фази прецессии в канала б этом эксперименте мц иаблздали с помощью дополнительны.-: миниатюрных приемных катушек на канале.

Теория проскальзывания фази для спинового сворхтока била разработана б работе [5]. В результате било получено, что критическое зиачзннэ градиента фази процессии равно уа =1/^, где С •спяяошЗ сииюг корреляционной даниы: ,

и

Полученные ¡;ами значения критического градиента фазы прецессии удовлетворительно согласуются с теорией.

Если использовать канал со слабым звеном, то по аналогии со сверхпроводниками можно оивдать, что при достаточно большом значении еа возможен переход к бечгнстерезисной токо-фазовой зависимости, т.е. к режиму Дяозефсона. Для наблюдения этого была использована ячейка типа, показанной схематично на рис.1, горизонтальный канал которой (диаметром 1.4мм) имел перетяжку с характерными размерами -0.4мм. Изменяя длину ОПД мы могли довести величину (э до значений порядка 1мм. Как и ожидалось при этом наблюдался переход от сбросов фазы к реиину Джозефсона.

Таким образом, отданные в данной главе эксперименты, являются первыми прямыми наблюдениями спиновых сверхтоков. При этих исследованиях проявилась глубокая аналогия между спиновыми и другими видами сверхтоков.

в пятой главе обсуадаются эксперименты по возбуждению и исследованиям спинового вихря в Не-В. Для того, чтобы создать циркулярный спиновый с^ерхток, использовалась РЧ-катушка, две половинки которой включались навстречу друг другу. При этом удалось создать ОПД, фаза прецессии которого менялись на 2* при обходе по замкнутому контуру вокруг оси ячейки. РЧ-поле затем выключалось и наблюдался сигнал индукции такого ОПД. Оказалась, что такая структура является устойчивой и исчезает толь ко вместе с исчезновением самого ОВД. Аналогия между спиновыми и другими сверхтоками позволяет сделать вывод о том, что такая структура соответствует спиновому аналогу квантового вихря, причем характерный размер кора такого вихря порядка (з.

в шестой главе рассмотрены эксперименты по влиянию квантовых

о 3

вихрей в Не-В на ОПД. В настоящее время установлено, что в Не-В

реализуются два типа вихрей VI и У2, отличающихся структурой кора. Считается, что VI-вихри имеют осесимметричный кор, а вихри У2-неосесншетричный. При этой, однако, прямого доказательства неосесшгыетричшсти У2-вихря получено не было. Использование ОПД открыло новые возможности для исследования вихрей. Оказалось, что взаимодействие прецессирующей намагниченности с кором вихря приводит к дополнительной диссипации. Недавно,в результате теоретических исследований Э.Б.Сонина и Г.Е.Воловика, было показано, что ОПД моает "закручивать" кор неосесимметричного вихря, а также был обнаружен механизм диссипации, свойственный только для таких вихрей. Этот механизм связан с колебаниями вектора анизотропии кора вихря из-за влияния на него прецессирующей намагниченности и существенным образом зависит от того меняется или гет ориентация этого вектора вдоль оси вихря, т.е. закручен кор или нет. &ы привели эксперименты, в которых нам удалось выделить упомянутый механизм диссипации у \'2-вихре;;. Таким образом, удалось доказать отсутствие осевой симметрии кора эти; вихрей.

В заключении перечислены основные результаты полученные с диссертации и обсукдаотсп возможные дальнейшие применения методики

я

ОПД для исследований Не-В.

Таким образом в диссертации получены следующие основные результата:

1.Разработана методика возбуждения и измерения спинового

ц

сверхтока в Не-В, основанная на использовании двух отдельных ОПД, поддерживаемых независимыми РЧ-полями.

2.Проведены исследования течения спинового сверхтока по каналу, ориентированному перпендикулярно магнитному полю. Изморена зависимость величины спинового сверхтока от разности фаз прецессий

намагниченностей на концах канала. Непосредственно наблюдался градиент фазы прецессии намагниченности в канале, приводящий к спиновому сверхтску.

3.НаСлюдался критический спиновый ток, при котором происходили сбросы фазы прецессии. При протекании спинового сверхтока через небольшое отверстие наблюдался переход от режима сбросов фазы к однозначной токо-фазовой зависимости. Таким образом, обнаружен спиновый аналог эффекта Дг.озефсона.

4.Разработан метод создания спинового аналога квантового вихря. Получен и исследован спиновый вихрь.

5.Проведены исследования низкочастотных колебательных иод ОПД- Наблюдались обе из возможных мод: крутильная и поверхностная. Из измерений резонансных частот этих под вычислены скорости продольных и поперечны^ спиновых волн.

6.Проведены исследования взаимодействия ОПД н реальных квантовых вихрей при различных ориентациях магнитного поля относительно оси вихря и при модуляции частоты вращения. Показано, что в дополнительное поглощение РЧ-мощности, вызываемое вихрями V2-T!-ma, вносят вклад вязкостные потери, связанные с осцилляцмяии кора. Зто доказывает отсутствие осевой симметрии кора V2-вихря.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Боровик-Романов A.C., Буньков Ю.Н., Дмитриев В.В., Мухарский D.M. Наблюдение проскальзывания фазы при протекании сверхтекучего спинового тока по капилляру. Письма в ЯЗТФ, 1987, т.45, стр.98-101

2.Borovik-Romanov А.З., BunkovYu.M., Daitriev V.V.,

Hukharsky Yu.M. Observation of phase slips in spin supercurrents in 3l!e-B. Jap.J.App.Phys., 1987, v.26, Suppl.26-3, pp.175-176

3.Боровик-Романов А.С., Буньков D.U., Де Ваард А., Дмитриев В.В., Макроциева В., Ыухарский Ю.М., Сергацков Д.А. Наблюдение аналс-а эффекта Джозефсона на спиновом токе. Письма в ШЭТФ, 1988, т.47, стр.400-403

4.Буньков Ю.М., Дмитриев В.В., Ыухарский D.U. Крутильные колебания

з

домена с однородной прецессией намагниченности в Не-В. Письма в ШЭТФ, 1986, т.43, стр.131-134

5.Borovik-Romanov A.S., Bunkov Yu.M., Dinitriev V.V., Mukharsky Yu.M., Sergatskov D.A. Investigation of spit; supercurrent in 3He-B. Phys.Rev.Lett., 1989, v.62, pp.1631-1634

6.Borovik-Romanov A.S., Bunkov Yu.M., Dmitriev V.V., Mukharsky Yu.U..Sergatskov D.A. Observation of vortex-like spin supercurrent in 3He-B. Physica B, 1990, v. 165.6166, pp.649-650

7.Kondo Y., Korhonen J.S., Krusius M., Dmitriev V.V., Mukharsky Yu.M., Sonin E.B., Volovik G.E.

Phys.Rev.Lett., 1991, v.67, pp.81-84