Оптические исследования процессов роста и плавления твердого гелия-3 при сверхнизких температурах и в высоких магнитных полях тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

62 11/67

Марченков Алексей Николаевич

"Оптические исследования процессов роста и плавления твердого гелия-3 при сверхнизких температурах и в высоких магнитных полях"

Диссертация на соискание степени доктора философии (Ph.D.)

представлена ректору Лейденского университета на основании заключения ученого совета факультета математики

и естественных наук

Работа выполнена в Лаборатории Камерлинг-Оннеса, Лейденский Университет, Нидерланды

а защиты :

резидиум ВАК.России

{решение от'' j рэгсил выдать диплом КАНДИДА1

-^мьг^ш^!!' на

глэкалькшс уп'ра

it.

ра^ления ВАК России

ио

b

fx>v

Ф-

<1°

-

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Проф. Др. Джорджио Фроссати ЗАМ. НАУЧНОГО РУКОВОДИТЕЛЯ: Др. Раер Йохемсен ОФФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Андреев Александр Фёдорович - Академик, Институт Физических Проблем им. П. Л. Капицы Российской академии наук

Нозьер Филлип - Профессор, Институт М. фон Лауе - П. Ланжевена, Гренобль, Франция

ЧЛЕНЫ КОМИССИИ (ВСЕ - ЛЕЙДЕНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, НИДЕРЛАНДЫ):

де Брун-Оуботер Рудолф Проф. Др.

де Йонг Йос Проф. Др.

ван Саарлоос Вим Проф. Др.

Оглавление

ГЛАВА I, Введение....................................................................................................................3

1.1. Теоретические модели поляризованного нормального жидкого 3Не..............................................5

1.1.1. Микроскопические модели............................................................................................................................................9

1.1.2. Почти-ферромагнитная модель.........................................................................................................................12

1.1.3. Почти-локализованная модель.............................................................................................................................14

1.1.4. Почти-метамагнитная модель...........................................................................................................................15

1.1.5. Обобщение теоретических предсказаний поведения в высоких полях...........................................17

1.2. Получение высокополяризованного жидкого 3Не.........................................................................................19

1.2.1. Термодинамика процесса быстрого плавления...........................................................................................20

1.2.2. Обзор экспериментов по быстрому плавлению...........................................................................................22

1.3. Эксперименты на кривой плавления.....................................................................................................................23

1.3.1. Магнитные свойства твердого 3Не....................................................................................................................25

1.3.2. Модели процесса плавления.....................................................................................................................................30

1.3.3. Обзор экспериментов измерению подавления кривой плавления........................................................34

1.4. Актуальность, цели и задачи исследования.......................................................................................................41

г - с ' - и р ядерного рззмагнн 1 /гя

"" ^ - .»...,.,,..........,.,.,.....,.,.....„.„,,„.,.,,,.,...„.»,,.,„...,.,,44

2.1. Принципы метода ядерного охлаждения............................................................................................................44

2.2. Устройство рефрижератора.........................................................................................................................................49

2.3. Конструкция рефрижератора ядерного размагничивания.......................................................................51

2.3.1. Криостат............................................................................................................................................................................51

2.3.2. Рефрижератор растворения..................................................................................................................................52

2.3.3. Ядерная ступень.............................................................................................................................................................55

2.3.4. Тепловые ключи...............................................................................................................................................................57

2.4. Термометрия........................................................................................................................................................................59

2.4.1. Термометры сопротивления..................................................................................................................................59

2.4.2. Термометрия кривой плавления 3Не..................................................................................................................62

2.4.3. Импульсный платиновыйЯМР термометр..................................................................................................69

2.5. Рабочие характеристики...............................................................................................................................................74

2.5.1. Охлаждение ядерной ступени.................................................................................................................................74

2.5.2. Процедура размагничивания...................................................................................................................................75

2.5.3. Минимальная температура....................................................................................................................................77

2.5.4. Тепловая течь в нулевом поле................................................................................................................................79

2.5.5 Анализ рабочих характеристик.............................................................................................................................80

2.6. Выводы....................................................................................................................................................................................83

' " ~ - "тал; - г > т твердой фазы....................................1........84

3.1 Оптическая система...........................................................................................................................................................84

3.1.1. Охлажденная ПЗС камера..........................................................................................................................................90

3.1.2. Источник света...............................................................................................................................................................94

3.1.3. Объектив.............................................................................................................................................................................97

3.1.4. Рабочие характеристики при низких температурах...........................................................................100

3.2. Ячейка для роста кристаллов и калибровочные процедуры................................................................103

3.2.1. Экспериментальная ячейка..................................................................................................................................105

3.2.2. ЯМР спектрометр.......................................................................................................................................................108

3.2.3. Калибровка......................................................................................................................................................................109

3.3. Процедуры роста и свойства твердой фазы....................................................................................................112

3.3.1. Образование зародышей твердой фазы.........................................................................................................113

3.3.2. Рост в низких полях....................................................................................................................................................Ц6

3.3.3. Рост в высоких полях................................................................................................................................................122

3.4. Выводы.................................................................................................................................................................................124

ГЛАВА 4. Эксперименты по быстрому плавлению поляризованного твердого- 3Hs...........126

4.1. Оптические наблюдения процесса быстрого плавления твердого 3Не...........................................126

4.1.1. Быстрое плавление неполяризованного 3Не...............................................................................................128

4.1.2. Быстрое плавление высокополяризованного 3Не....................................................................................130

4.1.3. Обсуждение экспериментальных данных релаксации намагниченности................................139

4.1.4. Обсуждение нестабильности плавления......................................................................................................143

4.2 .Измерения динамического сдвига кривой плавления..............................................................................145

4.3. Выводы и перспективы...............................................................................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ. Стабильность плоской границы раздела жидкой и твердой фаз в процессе

роста...................................................................................................................................... 151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................156

ГЛАВА 1. Введение.

Благодаря малой массе и слабому взаимному притяжению система атомов Не проявляет экстремальные квантовомеханические свойства при низкой температуре. Кинетическая энергия нулевых колебаний системы 3Не высока и поэтому препятствует отвердеванию при собственном давлении насыщенных паров до самой низкой температуры. Твердый гелий 3Не может образовываться только при повышенном давлении, приблизительно около 29 bar. 3Не обладает особенно интересным свойством: его кривая плавления имеет минимум при давлении 29.3 bar и температуре около 0.316 К с отрицательным наклоном ниже этой температуры, как показано на рис. 1.1(b). Это необычное поведение приписывается ядерному спину атомов 3Не. В жидкой фазе при температуре ниже ~ 1 К атомы 3Не можно рассматривать как систему вырожденных фермионов (спин 1/2 из-за неспаренного протона), энтропия которой, связанная с магнитным беспорядком, линейно снижается с температурой из-за принципа запрета Паули. В твердой фазе спины остаются неупорядоченными вплоть до температуры их упорядочивания около 1 тК. Выше этой температуры энтропия твердой фазы остается практически постоянной при ее увеличении. Для температуры Т < 0.316 К энтропия жидкой фазы падает ниже энтропии твердой фазы, давая отрицательный наклон кривой плавления и, следовательно, отрицательную скрытую теплоту фазового перехода. В результате адиабатическое отвердевание приводит к сильному охлаждению, в отличие от других твердых тел в природе. Этот эффект называют эффектом Померанчука.

Высокое значение кинетической энергии нулевых колебаний играет важную роль в физике твердой фазы 3Не. Обычно распределение вероятности обнаружения атома на расстоянии и от его равновесного положения в кристаллической решетке с периодом а,

вызванным тепловыми колебаниями, определяется отношением его потенциала ((/(и)) и тепловой энергии:

w^u^j ос ехр

( ( 2 KU

~ ехр

квТ { V)

(1.1)

где кв - постоянная Больтцмана, к - "коэффициент жесткости" силы, которая удерживает частицу в ее равновесном положении в кристаллической решетке и имеет величину приблизительно £/(а)/а2 [Апёгееу 1982]. С другой стороны, распределение вероятности (1.1) определяется гауссовским распределением:

ги{и} ос ехр

и

н

(1.2)

Таким образом, среднеквадратичная амплитуда ^иколебания частицы в кристаллической решетке может быть оценена как

<»2>

2

и(ау

(1.3)

Частота колебания отдельного атома соответствует наивысшей частоте колебаний фононного спектра, частоте Дебая и>в :

1

uD = kBQ / h ~ - J—L_i> (1.4)

а * т

где т - масса частицы, © - температура Дебая. Когда кристалл охлаждается ниже температуры ©, амплитуда колебаний становится постоянной щ (амплитуда нулевых колебаний), так что:

^¿п /Ьп© Нкъ

~ • --в - Л, (1.5)

a2 U (a) a^jmU(a)

где Л - безразмерный параметр де Бура (de Boer). Кристалл, для которого амплитуда колебаний сравнима с периодом решетки, будет сильно ангармонический. Большинство кристаллов в природе гармонические, т.е. амплитуда колебаний и0 намного меньше значения

а, что имеет место для случая kBQ <С U (а). Поэтому для классических (гармонических)

кристаллов вероятность туннельного перехода атома на соседнее место в решетке из-за нулевых колебаний, которая может быть оценена из формулы,

w ос ехр

2 кве

Ь (1-б)

является исчезающе малой. Только три твердые фазы (3Не, 4Не, Н2) имеют достаточно большой параметр де Бура, приводящий к существенной вероятности туннелирования за счет нулевых колебаний. Параметр де Бура для твердого гелия 3Не имеет значение 0.49. Туннельный переход в нулевой точке является преимущественно квантовым эффектом и "несет ответственность" за большинство необычных физических свойств твердых фаз, упомянутых выше. В развити этого тезиса при обсуждении экспериментов будут детально представлены несколько таких свойств.

Тот факт, что 3Не (и 4Не) остаются в жидком состоянии при низком давлении вплоть до самой низкой температуры, может выглядеть удивительным, поскольку жидкости в значительной степени неупорядочены. В то время как третий закон термодинамики требует, чтобы энтропия любой системы (мера неупорядоченности этой системы) снижалась до постоянного значения, в качестве которого может быть взят ноль при приближении температуры к абсолютному нулю, для жидкого гелия упорядочивание происходит в импульсном, а не в Евклидовом пространстве. Обе жидкие фазы проходят конденсацию Бозе-Эйнштейна, при которой атомы 4Не (или пары атомов 3Не) переходят в такое же основное состояние, которое можно описать макроскопической волновой функцией, написанной для всего объема жидкости. Конденсация проявляет себя в явлении сверхтекучести, т.е. отсутствии вязкости в жидкости. В настоящее время идентифицированы три различные сверхтекучие фазы в объемной жидкости 3Не: А, В, и Aj. При отсутствии магнитного поля стабильными являются только фазы А и В (рис. 1.1b). Фаза А существует только в узком температурном диапазоне и при повышенном давлении около 21 bar. Остаток свертекучей части фазовой диаграммы относится к фазе В. Наложение внешнего магнитного поля стабилизирует фазу А вплоть до нулевого давления. Дополнительно, помимо нормальной и

сверхтекучей фазы А, появляется совершенно новая магнитная фаза А]. Диаграмма для сверхтекучего 3Не, обогащенного этой фазой, в сравнении с другими системами частиц Ферми, которые подвержены конденсации типа Бозе-Эйнштейна, свободные электроны в сверхпроводящих металлах, объясняется формированием куперовских пар другого типа, которые образую конденсат. В то время как куперовские пары в металлах формируются электронами с противоположными спинами (общий спин пары S — 0 ) и нулевым

относительным импульсом [L = о) («образование синглетных s-пар»), все известные

сверхтекучие фазы в 3Не образуются атомами (или, более точно, квазичастицами, см. ниже) с параллельными спинами S = 1 и относительным орбитальным импульсом L = 1 ("образование триплетных р-пар"). В результате волновая функция пары в сверхтекучем 3Не содержит девять комплексных параметров (три спиновых и три орбитальных подуровня), в то время как только одного такого параметра достаточно для характеристики электронной куперовской пары. Природа сверхтекучих фаз была достаточно быстро понята после их исследования, выполненного в работе [Osheroff et al. 1972], и благодаря большому количеству предшествующей теоретической работы по спин-триплетной р-волновой сверхтекучести. Для получения детального описания структуры и свойств сверхтекучих фаз можно обратиться к обзору [Leggett 1975] и книге [Vollhardt and Wolfle 1990].

Такая же степень понимания не существует для нормальной жидкой фазы 3Не. В температурном диапазоне между 100 тК и образованием сверхтекучих фаз ниже 2.5 шК жидкий гелий 3Не ведет себя во многом как слабо взаимодействующий вырожденный ферми-газ. Природа этих взаимодействий, однако, неясна до сих пор. Наиболее вероятно, что ответ можно было бы найти при изучении высокополяризованной нормальной жидкой фазы 3Не и ее влияния на твердую фазу. В данной главе рассматриваются имеющиеся знания свойств нормальной жидкой и твердой фазы 3Не в сильных магнитных полях. Также представлен метод получения высокополяризованной жидкой фазы 3Не и ее термодинамика. Наконец, подчеркнута необходимость оптического изучения поляризованной жидкой и твердой фаз 3Не.

1.1. Теоретические модели поляризованного нормального жидкого 3Не.

Теория Ферми-жидкости Ландау [Landau 1957, Pines and Nozieres 1966, Baym and Pethick 1978] успешно описывает низкотемпературные свойства жидкого 3Не в температурном

диапазоне значительно ниже температуры Ферми ( Тр —1 К j вплоть до температуры

перехода к сверхтекучим фазам (Тс ~ 2.5 тК вдоль кривой плавления) [Wheatley 1975].

Начиная с невзаимодействующего Ферми-газа, теория вводит влияние взаимодействий феноменологическим способом.

Т [шК]

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма 3Не при низких температурах и в отсутствии магнитного поля. Наличие минимума кривой плавления при 7\ = 316 тК и ее отрицательный наклон при более низких температурах вызваны тем, что удельная энтропия жидкости превосходит энтропию твердой фазы при Т < Т'||т . В нулевом магнитном поле упорядочение ядер в твердой фазе происходит при температуре порядка 1 тК .

Теория основана на предположении, что низкотемпературные свойства системы многих тел с сильным взаимодействием, такой как жидкий 3Не, может быть описана в понятиях разреженного газа с элементарными возбуждениями или "квазичастицами". Это может оказаться неожиданным, поскольку в жидкой фазе межатомные расстояния сравнимы с эффективным диапазоном межатомного потенциала, и поэтому ожидается, что взаимодействие между атомами 3Не будет очень важным. Однако, при очень низкой

температуре (Т <С Тр) большая часть атомов заморожена в море Ферми и только часть

примерно Т / Тр возле поверхности участвует в процессах взаимодействия. Теория Ферми-жидкости делает два фундаментальных предположения

• Теория применима к жидкостям, спектр элементарных возбуждений которых имеет полное соответствие со спектром состояний свободного ферми-газа. Элементарные возбуждения (квазичастицы и квазидырки) характеризуются импульсом р и спином а и аналогичны возбуждениям частиц и дырок в свободном ферми-газе. Квазичастицы подчиняются статистике Ферми, их количество совпадает с количеством частиц в жидкой фазе.

• Взаимодействие между квазичастицами описывается эффективным средним полем, которое приводит к тому, что энергия системы взаимодействующих квазичастиц не

является простой суммой их энергий, а зависит от их функции распределения nZ. Поэтому энергия квазичастиц eZ определяется как вариант плотности