Исследование эффекта изменения времени жизни позитронов при переходе YBa2Cu3O7-x в сверхпроводящее состояние и некоторых других эффектов, связанных с состоянием позитронов в твердых телах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

московский госудакзтвйнный: УНИВЕЬ'ИТЗ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УЖ 537.312.7

539.21..539.124.6

АБДУЛЬ-ХАФИЗ МОХАИОД

ИССВДОВАШЯ Эд&ЕКТА ИЗглЕНШИЯ ВРШЕШ 2ШШ ПОЗИТРОНОВ ПРИ ПЕРЕХОДЕ Уве*К £ евЕРХПРОВОЛ^ЩЕЗ СОСТОЯНИЕ И НЕКОТОРЫХ ДРУГИХ

э&жкгоа . связанных с состояние позитронов

В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Специальность 01.04.09 - физика низких температур

Автореферат диссертации ка соискание ученой стапаьи кандидата физико-ыатег'атичаских наук

Москва - 1932

('«бота выполнена на кафедре физики низких температур в оц'^лиршюдимости физического факультета Московски о государ-сп.'икиого университета им. М.ЗЛомоносова.

¡¡чуший руководитель - доктор физико-математических наук

в.л.сдав

и^шшальние оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Б.П.ШАНГАРОВЖ доктор физико-математических наук, профессор А.Д.МЖРУШШ

¡Имущая организация - Институт мэтадлофвзики АН Украины

У о

Защита состоится " 9 " 1992г. в I$ час на

заседании специализированного совета К 053.05.20 в Московском государственном университета им. ;<1.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физически!; «¿акультат, аудитория 2-05 Криогенного корпуса.

С диссертацией иокно ознакомиться в Научной библиотек

физического факультета «17..

Автореферат разослан и 2 " _^992г.

Ученый секретарь специализированного совета К 053.65.20 г МГУ им. 1.].В.Ло;,!040СО£?,

кан пи дат фа з ико-мг хема'/вче см х наук, доцент и

Г.С.ПЛОТНИКОВ

^ДОСТГЕИк*

I. Оощая характеристика раОоты.

7,»'. <1

. ДУАЛЬНОСТЬ ТЕМУ

^¡хсгртгций

Б настоящее время быстро развиваются катоды исследования твердых тел, основанные на использовании э^Ьектов аннигиляции позитронов. В некоторых случаях эти метода дают возможность получать принципиально яовуа информацию о структуре и свойствах твердых тая, Это утвервданио относится правда всого к результатам исследований дефектов кристаллической решетки, кластеров атомов, а также когерентных я некогерентных фазовых выделений.

Наблюдение эффектов аннигиляции позитронов дает воэммпосгр. проследить влияние дефектов кристаллической решетки и структурных несовершенств на сверхпроводящие свойства ВТСП. Таким образом эти исследования имелт прямое отношение к теории висикотом-паратурнбй сверхпроводимости.

В настоящее время исследования ВТСЯ методом аннигиляции интенсивно производятся ео г.;ног;;у. лабораториях шра.

Вопрос о причинах возникновения особенностей ^изичоских свойств ивварных сплавов в настоящее время но решен окончательно. Вместе с тем, знание природа инварных аномалии вагно для практических це.тал а, кроне того, шает существенное теоретическое значение. В частности, решение "ироолеии инвара" ноло-средственно связано с пробЛимоЯ возникновекия (¿<орро-анта ;лрро-магнптвых состояний переходных металлов груцгш аелоза.

Использование позитронов для йзучьйия-анварншс оплаььв позволяет получать новую информацию о причинах возникнов.лшд ¿х яообычних СЕОПСТВ.

ЦЕЛЬ РАБОДЫ состояла в изучении следующих научвгтс проблем:

1) Исследование эффекта изменения времени жизни позитронов при перелоде ВТСП У£„2 СЦ 0? г в сверхпроводящее состояние.

2) Связь этого эффекта с дефектами кристаллической решетки.

3) Интерпретация результатов экспериментальных исследований, указанных в пунктах I) и 2).

4) Изучение влияния радиационных дефектов на спектр времена жизни позитронов в 07_?

5) Изучение эффекта взаимодействия позитронов о атомада гетеза в инваре.

6) Ниводы о причинах возникновения основных инваршас аномалий, которые могут бить сделаны исхода из резуяьсагзд исследования взаимодействия позитронов о атомами каяеза © вдв^рэ,

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что а не® «перовые:

1. Показало, что эффект изменения временя кизни позитронов, возникающий в района X °РК переходе кера'отчеоких образцов У8ьСи.3 0; г в сверхпроводящее состояние связей с дефектами кристаллической решетки.

2. дана интерпретация этого эффекта, основанная на образовании позитрония в микрополостях. Показано, что наблюдаемо»! вф-фект уменьшения времени казни позитронов при переходе КЙе^С^О^, в сверхпроводящее состояние, может быть' объяснен, вот ошсывать взаимодействие позитрония с электронами на ©е&авв иожщщ Андерсона для магнитной пршеск.

В. Установлено, что эффект увеличения вршеда хязяи позитронов в у СО , возникавдай в результате общения

быстрыми электрона!,я, но является следствием образования при облучении вакансий кислорода.

4. Установлена взаимосвязь котлу эффектом увеличения времена ялзни позитронов, и вознпкащш при облучении Ог # электронами, электросопротивлением и общи характером перехода этого ВТСП в сверну эводщее состояние.

5. Показано, что для пиарного сплава - шоет моего аномальное уипрэние крявой угловой корреляция анняталяцпон-еого излучения.

6. Сделан внвод о ток, что это явление связано» с динамически;.? Езаи.'.одеГятшем позятроиоз с зЛ ~ электронами атог-оэ ~с— лаза в кнваряои сплаво, В результате этого взаимодействие значительно увеличивается перекрытие волновой функции термапдзовалко-го позитрона с волновыми функциями электронов внутренние атомных оболочек.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ закликается з выводах о влиянии дефектов кристаллической реиеткя на свойства ВТСЛ. Кро:.:э того, пояучешше результата определяют причины возникновения аномалий <Тл1зпчсс~ЛдХ свойств ипварнык сплавов, которые широко исполь-с; .гея для практических целей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы, вошедшие в диссертации, докладывались на II Республиканском семинаре "Иозитрпнная аннигиляция в твердых телах" (Киев, 1У89), на Всесоюзном Совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, ГУУ1 г.), на 1У Международном Совещании по .ядерно-спектроскопическим исследования?« сверхтонких взаимодействий (Ужгород, 1391 г. и на Всесоюзном сеглинаре "Позе-тронная аннигиляция в твердых телах" (Оошшск, 1991 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: Основной содержание диссертации опубликовано в б~?и работах,- список которых, приведен в конце автореферата.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА. диссертация состоит из введения, трех тлав, раздела в котором изгхгаются основные результаты и вывода, и списка литературы, ибцзш ооъеи диссертации ¿7 страниц, включая IX рисунков я список литературы из ЮЗ наименований.

2. Содержание работы

Ed ifflEIlEHHil огранено современное состояние метода исследования твердых тел, основанного ш использовании позитронов. Обоснована актуальность настоящей работы. Излагаются основные общие сведения, которые связани с эффектами ашигадяцкн позитронов. Указана цель настоящей работа. Кратко изложено содержание диссертации к с$ор?лулировалы основные положения, никоею,líe ка saш~ ту»

ПЕРВАЯ ГЛАВА доезяцона изучению эффекта изменения времени жизни позитронов при перехода БТСН уд^ c¿/.j 07 f в сверхпроводящее состояние, tí намаяе втой главк дается обзор работ, в которых производилась исследования этого эффекта. итг.«з~ чается тот фаг.', что определенных окончательных выводов по этому вопросу не бы по сделано. Палее в первой главе описывается методика измерения временя еизш-í позитронов з твердых тепах, а такге излагаются некоторые другие сведения о произведенном эксперименте.

из трех исследованных образцов У s эффект изме-

нения средаего времени киэнл t позитронов в оoraosл 1¿ наб-ладался только на образце Г, обладающие более низкой плотностью (5,0 г/сма) по сравнению с двумя другими (2 ж 3; плотность "5,4 г/см3).

Результата этих измерений представлены па рис Л. В данном случае наблюдается уменьшение ~ приблизительно на 4+1,5 по в интервале температур, который совпадает с интервалом перехода в сверхпроводящее состояние. На образцах 2 и 3, в области температур 80-100 К, не било обнаружено зависимости 'С от тетператури в пределах точноет" измерений, составзтааеЗ +1,5 пс.

Кривые зависимости приведенного электросопротивления Р(Т) /$з00 у/ от тсмиература Т в районе % , для яс-следоваших образцов, показаны на рис. 2. Кая видно из отого рисунка, образец I (на котором наблюдался ойфек? ступенчатого лгые-пс:-ля С в районе Т ) шеот значительно большую величину

Г) / (3зооК , в нормальном состоянии пря Т близких

к Тс , по сравнению с образцами 2 и 3, Это обстоятельство -указывает на го, что образец I имеет большую дефектность, чем два других образца.

Предлагается интерпретация аффекта ступенчатого уменьшения Г при переходе В1СП в сверхпроводящее состояние, основанная га использовании модели Андерсона для тагнятноа примеси, й дад-нол случае г-д "магнитной примесью" подразумевается позитроний ~ подобное состояние, образованное позитроном, захваченным микро-» поло.тью в кристаллической решетке. Взаимодействие тахо£0> позитрония с окрз'кащей полость электронной средой, в щшш Ш* дели А^ерсона, происходит путем процессоз туннелировадщ ронов мезду состояниями позитрония и зош проводимости. Цо-Д Ща ном цримеи $ следует подразумевать спин электрона $, ^ разукгцего -озитроний. Соответственно, процесс релаксации спина

С_ , возн^аиций вследствии взаимодействия "магнитной примеси" с окрукающейэдектрокной средой, сопровождается орто-пара конверсии позитредя.

Идя определения времени кизни позитрония в таком состоянии, по отношению к 2 X - аннигиляции, можно рассмотреть предельные соотношения мекду временем спин-электронной релаксации Тт и временем етзнн свободного дара-позитрония cps = 125 пс.

Никэ температуря Кондо "С >\ Ъ/ кТк . ксли

• ^о

», ^f>s эффекты орто-пара конверсии успевают много-

кратно переводить позитроний из одного состояния в другое. В результате,, время жизни позитрония оказывается равный У~ 500 по. этот случай соответствует нормально^ состоянию BTCII. Второй предельный случай, когда -Т, )) , моаег соответство-

вать сверхпроводящему состоянию. Резкое увеличение в сверх-

Рас.1. Температурная зависимость среднего времени шзни позитронов Г В /0агСу вблизи температуры сверхпроводящего перехода для образца 1.

Температурная síbech-мсоть приведеДОго электросопротивления 8(V/R3qo* трех ксоледо^нынх образцов YQo-^Oj.f в районе ~с .

проводящем состояние происходит вследствие образования энергетической щели, которая препятствует возникновению Кондо - состояния (если % )) Тк ). Таким образом, направленно спина электрона, входящего в состав позитрония во, втором случае сохраняется за время порядка

Условия захвата позитрона миирополостьв с образованием позитрония можно оценить, если сравнить значения энергии* дям®доло-кализованного позитрона я локализованного внутри1 полости поэа-трония. В первом- случае эяерпм всей системы Е1г равйа-

Е^г + Ео *

где Ь+ - энергия термашзоЕажйло "одетого? позитрона л. Ь0 ~ энергия остальной-части система в основном состоянии, содераа-щеЗ N электронов-.• Полная энергия £2, всей система, состоящей из- локаяизовЯйного 'внутри полости позитрония и остальной частя системы, содеряацёй' /V - / элоктройов, равна

= - Д + -/> <й)

Не Л - энергия связи позитрония равная 6,В эВ , ~ энер-тч локализации позитрония внутри полости, £„,г - энергия вз&модействия позитрония с окрунащей средой'и /* - химиче-скиЬдотенциал вырожденной электронной системы. Условие возмояно-сти Сщэствования пози-троаия внутри полости определяется неравенством Е2 . Оценка величин, входящих в выражения (I) и 12),

п°казыа5т, что неравенство С2 выполняется, если разме-

ры полост ю А.

Волн^ фикция свободного позитрония, образованного электроном с оп,деленнн:л направлением спина, представляет собой суперпозицию Сметного и триплетшдх состояний. Спиновое состоя-

ние частично поляризованного позитрона описывается спиновой волновой функцией - с\ + сг fi*- , где i<+ и А спиновые волновне функции для направлений, спина, соответственно вверх и вниз. Волновая функция позитрония ф^ X-J соответствующая определенная спиновым состояниям электрона ( - направление вверх) и позитрона { ), имеет вид

где я ~ волновые функции трип летних состояний по-

зитрония и - сииглетного состояния. Волновая функция по-

зитрония ф^ = 4о Р- + » соответствующая направлению сия- . ва электрона вниз равна

Фг= -7ГС< ^о- %..) + сг%, U)

ДЛЯ СОСТОЯНИЙ Ф( И звачг лия времени жизни позитрония соответственно равны '

Е с,|г Cö

1 ' Z \

Бозш позитрон не веляризован, то \ Ctj ^ ^ Сг\ г т.е. ^ Г500 ne.

В этом случае время жизни взаимодействующего позитрония созывается таким ке, как и в случае, когда Т, <(ч . дяако, если позитроний ооразуется поляризованным позитроном, узникам два состояния с разными временами яиани tT,S)K и ?%,ß Для источника позитронов изотопа г2На , \с,|2 = о-Ц / . Поэтому,

Tps>c(_ = 8S0 пс и tfuß = 350 пс. В реальном с луч г процессы

" pic к - ° f f " аннигиляции могут значите'110 уменьшить

татов показывает, что наб.твдаеинй эффект увеличения X не является следствием образования при облучении вакансий кислорода. Нля интерпретации этого эффекта необходимо допустить, что возникающие в результате облучения Увакансии металлов^, имеют большие сечения захвата позитронов, чем вакацзяи кислорода. Возмокно такке, что на наблюдаемый эффект увеличения оказывают влияние, возникающие при облучении, более сяокнае дефекты кристаллической решетки.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА содержит результаты исследования эффекта угловой корреляции аннигияяциошип 8 -квантов в пиварном сплаве

Реьч "Ж'я • оонаругено существование аномально-

го ушрения углового распределения пар § -квантов при аннигиляции позитронов в этом сплаве. Это явление сопровождается замет-Е!и увеличением эффекта Цоплера для-аннигиляционных фотонов. Полученные экспериментальные результаты указывают на то, что тер-мализованные позитроны аномально глубоко проникают внутрь ионного остова атомов келеза.'В январе и, соответственно заметно аннигилируют с электронами внутренних заполненных атомных оболочек.

Анализ полученных экспериментальных результатов показывает, что аномальное проникновение позитронов внутрь атомов язлеза в инварном сплаве связано с особенностями электронной структуры этих атомов. Вследствие этого возникает значительное динамическое вза&лодействие притяяения.мекду тертализованнш позитроном п локализованными 3 А -электронами атомов келеза. Это взаимодействие частично компенсирует к^лоновское отталкивание позитрона атомным ядром.

Особенности электронной структуры атомов келеза в инваре возникают в результате возможности существования этих атомов в двух разных состояниях: высокоопиновым С Н 5 ) и низкоспиновом

( ). Влияние локального окружения соседних атомов кедеза может приводить к тому, что разность энергетических уровней, Д£а соответствующая этим двум состояниям, является малой величиной. Такал ситуация возникает б ••ластерах атомов железа. В этом случае взаимодействие позитрона с атошл келзза, для которого о ,

пакет оказать существенное влияние на плотность пространствшшо-го распределения позитрона внутри области локализации 3 -электронов иона железа.

Результаты исследований, изложенных в третьей главе, под-творндаэт предположения о том, что аномалии физических свойств инварных сплавов связаны с существованием И 5 и состояний

атомов железа в этих сплавах.

3. Основные результаты диссертации.

1. Исследован эс]фект изменения времек : кизня нозктронов при переходе керамических.образцов У СЦ 0? г в сверхпроводящее состояние.

2, Установлено, что это явление связано с дефектами кристаллической решетки, а образце с повышенной дефектностью наблюдалось в районе Тс квазд-даскретное уменьшение среднего Бременя жизни на 4^1,5 пс.

а. Надя, интерпретация этих результатов, основанная на возможности образования позитрония в шкрополостях.

Предполагается, что взаимодействие такого позитрония с электронным окружение:.! описывается на основе глодеяи Андерсона д.чя магнитной прпмесц. Это взаимодействие приводит к орто-пара конверсии позитрония. Переход в сверхпроводящее состояние частично подавляет эти эшфекти, что приводит к уменьшению среднего врамени кдзнн позитрония по отношению к аннигиляции.

4. Наблюдался эффект увеличения среднего времени глзпи позитронов в УВаг Ц O^j. в рэзультате оолучения оистркмя электронами.

Установлено, что это явление но является следствием оора-зования при облучении вакансии кислорода. Показано такке, что увеличение среднего времени глзия позитронов под действием облучения, сопровождается пониг.екием температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс.

5. Произведенные ксследовачия угловой корреляции аннигдля-ционного излучения в шпзарз установили существовании аномального .ушрешя яризой , ошюшзапдои этот эффект.

S. Аномальное у сыр сил о кривой угловой корреляции апкиглля-ционного излучения Л/СО) в январе оыпо интерпретировано как результат динамического взагалодойствия, захваченных кластерами нелеза, позитронов с локализованными 3 с! -эяектррнаш атомов гелеза.

Б. тех случаям, когда отдельные атош геьзза под влиянием локального окружения шеи? малое значение энергии перехода глегду высокосшшовым С HS ), и низкосшпювшд (LS ) состояниями, это взаимодействие приводит к значительному увеличению проникновения позитронов внутрь ионного остова атсма келеза.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Effect of the positron llfttws change in YUa^Cuj^-x ^ SUp<?rco-_ ndiictlng fcr«nsitlonyv.L.¿(?dov,Mohammad AbduL Hafiz,I. E. Oraboy, A. R. Ka«L, V.P .Shabat tn//ibstracts of pa.pers//22 POtlsK Seminar on positron aniriAhild.tlcn,Piecbovvlce -1990- p.26.

2. V. L.SeJov , Moliamma d iibdoL Нсфг , l.E .G-гоЛоуД С.каиЦ

V! P. SUak o-t'w. The effect 0\ CU nge in "t be position lifetime

ai the supercor\Jucti'fi£ lrafls>'k°ri in УВй&orj orUo.

para Conversion oj P0ii1rcr)\am in voic/s Uftys. lett. Д 4<39g VJ5\U.il~ P. 4&-S8 .

3. ЭрЬект изменения времени квзнй позитронов при переходе

V8огСи.; 07f в СЕпрхяроЕодящее состояние (B.JI.Седов, Ыохаммац Абдуль 1ашз, В.П.Шабатин // Тезисы докладов. Всесоазноо совещание по высокотемпературно! сверхпроводимости. ХарькоЕ - 1991 - С. 166-167.

4. В.Л.Седов, Мохаммад Абдуль Хафнз, В.П.Шабатин. Эффект измо-нэния времени кизни позитронов при переходе /Во^С^.

в сверхпроводящее состояние // ФИТ - 1991 - Т. 17, J? II. С. 151x3-1561.

5. Эффект изменения вромзии кизни -озитронов при переходе

YBc-jCmj Cvr в сверхпроводящее состояние п орт о- пара--конворсия позитрония в кикрополостяк //.В.Л.Седов, г.5оха:^-мад Абдуль ХаГшз, З.И.Грабой, А.Р.Кауль, В.П.Шабатин // Тэзиси д^^кладач. I/ Международное совещание по дцерио-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взанмодакотвий. Ухгород - 19Э1 - С. 68.

6- V-t.SeJ,МоЬагл^ссI ЙЬсЫ Нсс(,г>1Л.£с*\,су, A.R.Keul, .

up. S^UtiA Н BeoV cj flbst ПР-ci InUwiional

retice on positron annotation,S-zoiYkbaikely, ^u

.IS'Ji . f. 0121