Особенности магнитной релаксации в 3Не-В при сверхнизких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Г1 О и«

о ; Ул!! '¿РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ имени П.Л.КАПИЦЫ

на нравах рукописи

НЕКИ Ян

УДК 538.941

ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ РЕЛАКСАЦИИ В

3Не-В

ПРИ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Специальность 01.04.09 - Физика ниоких температур _ и криогенная техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993

' Работа выполнена в Институте Физических Проблем РАН имени П.Л.Кашщы и в Институте Экспериментальной Физики Словацкой Академии Наук, Кошпце

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Ю.М.Буньков

Официальные' оппоненты:

. н • к."И.

^.ер. -м .Н. /ч .С •

Ведущая организация:

Ф^и^О^ис С"» ■

Захцыта состоится 1993 года в .(гРчасов на заседании

Специализированного ученого совета Д 003.04.01 при Институте Физических Проблем РАН им. П.Л.Капицы 117334, Москва, ул. Косыгина 2 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Физических проблем РАН .

Автореферат разослав 1993

года.

Ученый секретарь Совета ,

доктор физико-математических наук

Л.А.ПРОЗОРОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы .

Переход жидкого 3Не в сверхтекучее состояние был теоретически предсказан Л.П.Питаевскпм [1] в 1959 году. После первого элспернментального наблюдения такого перехода американскими физиками Ошеровым, Ричардсоном и Ли [2] в 1972 году были открыты три сверхтекучие фазы 3Не: А, В н А]. Все три фазы существуют только при температуре ниже 2,5 мК; причем только А- и В-фаза являются стабильными в нулевом магнитном поле. Дальнейшие экспериментальные п теоретические исследования показалп, что сверхтекучесть 3Не связана с куперог.скпм спариванием атомов 3Не в состояние с орбитальным моментом пары Ь=1 и сшшом 8=1.

В В-фазе, о которой пойдет речь в данной работе, А.С.Боро-внком-Романовым, Ю.М.Буньковым, В.В.Дмитриевым и Ю.М. Мухарскпм [3] было обнаружено формирование особой двухдо-'моннон структуры прецессируюшей намагниченности при импульсном ЯМР возбуждении образца 3Не-В в градпенте внешнего магни гного поля. В областп больших попей намагниченность не прецессирует и направлена вдоль магнитного поля - пепрецес-Спрующий домен (НПД). В области меньших магнитных полей намагниченность наклонена на угол 104° п прецессирует однородно (вопреки неоднородности магнитного поля) - однородно преиесспрующпй домен (ОПД). Частота прецеспи ОПД ровна ларморовской частоте в областп доменной гранпци между ОПД и СМД. Паралельно с экспериментом было проведено теоретическое исследование этого явления П.А.Фоминым [4]. В дальнейшем было показан о, что ОПД можно образовать п при исполь-йованпп непрерывного ЯМР [5]. Понимание природы ОПД позволило использовать его как очень эффективную методику для изучения спиновых сверхтоков [6], скорости спиновых волн [7], процессов спиновой диффузии в сверхтекучем 3Не-В и измерения

3

сщш-релаксационного времевш Леггетта-Такагп [8].

При участии автора диссертации было обнаружено явление катастрофической релаксации (КР) [9]. Это явление проявляется резким увеличением магнитной релаксации (на 2 -г 4 порядка) при температуре Г, порядка 0,4 Гс. Дальнейшие исследования магнитной релаксации проведенные Ю.М.Буньковым, С.Н.Фишером,' А.М.Гено, С.Дж.Кеннеди и Дж.Р.Пиккетом [10] при температурах ниже температуры катастрофической релаксации Т* показали, что явление КР связано с пересечением моды прецессии намагниченности во внешнем попе и повой моды относительной прецессии сверхтекучей и нормальной компоненты намагниченности вокруг молекулярного поля Ферми жидкости. В данной диссертации проведены исследования магнитной релаксации 3Не-В методом непрерывного ЯМР ниже Т„. Впервые обнаружен вклад нового механизма магнитной релаксации в 3Не-В . Этот механизм релаксации оказывается основным при нулевом давлении и при температурах ниже Тг.

В условиях непрерывного ЯМР удается непрерывно поддерживать существование ОПД, так как процессы магнитной релакса-.ции компенсируются подкачкой энергии РЧ полем. При этом возникает захват частоты ОПД частотой РЧ поля. Граница ОПД располагается в том месте экспериментальной камеры, где Лар-моровская частота соответствует частоте РЧ поля. Изменяя магнитное поле (или частоту) можно менять пространственное положение границы ОПД. В условиях, когда равновесное положение доменной границы ОПД уходит за границы экспериментальной камеры (т.е. в канал, соединяющий экспериментальную камеру с областью теплообменников) обычно наблюдаются скачкп в сигнале поглощения [5]. Эти скачки обладют гистерезисом по магнитному полю. Для выяснения природы скачков необходимо прямое наблюдение проникновенна ОПД в канал с осью паралель-ной направлению магнитного поля. В данной диссертации получены первые непосредственные наблюдения, потверждающпе предположение о проникновении ОПД в канал.

4

Цикл работ, вошедших б диссертацию, а также исследования 3Не в Москве п Ланкастере показали, что свойства сверхтекучего 3Не-В при температурах ниже 0,4 Тс существенно отличаются от исследованных раннее свойств 3Не-В при более высоких температурах. Природа этого отлития связала с тем, что при относительно высоких температурах (в т.н. гидродинамической области) намагниченность сверхтекучей и нормальной компонент сильно связаны между собой. Напротив, при более низких температурах (в бесстолкновительной области), их взаимодействие резко падает. Поэтому при этих температурах можно говорить о дпухжидкостном поведении намагниченности. Именно этим, видимо, объясняется существование т.п. персистпрую-щего сигнала индукции [11]. Таким образом открываются новые горизонты развития физики 3Не-В при сверхнизких температурах, так как они выходят за рамки существующих теоретических представлений. Необходимость охлаждать 3Не-В до сверхнизких температур требует применения новых технологий и подходов при создании экспериментальной установки. В данной диссертации содержится описание нового метода создания ступени ядерного размагничивания с исспольэоваиием диффузионной сварки. Этот метод оказался органически совместим с теми жесткими требованиями по хладопропэводптельности л теплопроводности, которые предъявляются к современным ступениям ядерного размагничивания.

Научная новизна работы

Впервые были проведены исследования сверхтекучего 3Не-В ниже температуры катастрофической релаксации методом непрерывного ЯМР. При давлении 0 бар был обнаружен новый механизм магнитной релаксации, не имеющий теоретического объяснения.

Впервые были проведены экспериментальные исследования движения ОПД в узком канале с осью вдоль магнитного поля. Из

5

этих исследований вытекает, что причиной скачков с гистерезисом в сигнале поглощения ОПД является быстрое перемещение доменной границы из спектроскопического положения.

Создана и приведена в работу первая на территории бывшей Чехословакии установка для исследований сверхтекучего 3Не. Особенностью установки является ступень ядерного размагничивания меди нового дизайна, полностью изготовлена технологией диффузионной сварки.

Аппробация результатов

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на:

о 25, 26 и 29 Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Ленинград 1988г., Донецк 1990г. и Казань 1992г.);

• Международной конференции по физике низких температур 1/Г-19 (Великобритания, Брайтон, 1990г.);

• Международной конференции иЬТ-19 (Великобритания, Ланкастер, 1990г.);

в Международной конференции по криогенной технике ККУО-СЕШКА'ЭО (Чехословакия, Кошице, 1990г.)

в 2-ом Советско-Германском симпозиуме по физике сверхнизких температур (Алушта 1991г.);

• 2-ой международной конференции по физике макроскопических квантовых явлений (Чехословакия, Смоленице, 1992г.).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 58 страниц и включает в себя основной текст, 27 рисунков и список литературы.

6

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы работы, формулируются основные цели и задачи, отмечается научная новизна и приведено краткое содержание работы по главам.

В первой главе приводится описание экспериментальной установки для получения сверхнизких температур путем ядерного размагничивания медп. Более подробно описан дизайн ядерной ступени новой генерации, способ ее изготовления технологией диффузионной сварки и приведены ее рабочие характеристики.

Далее приводятся блок-схемы ЯМР спектрометра и детали экспериментальной камеры. Ее особенностью явилось наличие цилиндрического стержня в центре верхней части камеры и система ЯМР катушек, позволяющая проводить как поперечную, так п продольную накачку ЯМР в 3Не-В .

Вторая глава представляет собой обзор литературы по данной теме исследований. В нем рассмотрены основные представления о сверхтекучем 3Не. Дается представление об однородно прецессирующем домене п возможностях его использования при изучении процессов магнитной релаксации в 3Не-В . Излагаются уст оявшиеся взгляды на дпухжпдкостную модель спиновой динамики Леггетта-Такаги [12] и объясняется явлейпе катастрофической релаксации в рамках этой модели.

В третьей главе приводятся результаты исследований магнитной релаксации в 3Не-В ниже температуры катастрофической релаксации.

Эксперименты проводились по методике, описанной в [5]. К обраопу 3Не-В в экспериментальной камере был приложен градиент магнитного поля п РЧ поле в поперечной конфигурации на частоте 460 кГц. Внешнее магнитное поле сканировалось вниз ступеньками по 0,8 мкТл, получаемыми из за цифровой схемы развертки поля. При наличии условий магнитного резонанса в верхней части камеры в ней образовывался ОПД, который,

при дальнейшем сканировании магнитного ноля, плавно заполнял всю камеру. На Рис. 1 приведена форма сигналов поглощения и дисперсии ОПД при температуре 0,31 Тс. Сигнал поглощения растет линейно при заполнении камеры однородно прецессиру-ющим доменом. В дальнейшем его рост сильно замедляется. Линейный с размером ОПД рост сигнала поглощения мог бы быть связан с поверхностным механизмом релаксации [13] на боковых стенках.камеры. Однако полученные сигналы показывают и на возможность наличия объемного механизма релаксации. Это заключение можао сделать из изменения наклона на сигнале поглощения при прохождении доменной границей середины камеры. В верхней части камеры отношение объема к поверхности меньше (благодаря наличию стержня внутри камеры) и по этому при движении доменной границы, прирост поверхностного механизма релаксации должен быть больше в верхней части камеры, а объемного соответственно в нижней части камеры. Оценка величины этой релаксации, полученная из характеристик спектрометра, дает величину « 1,8 нВт/см3.

Из полученных данных следует, что при давлении 0 бар в 3Не-В •наблюдается неизвестный механизм магнитной релаксации, не имеющий до сих пор теоретического объяснения.

В четвертой главе рассмотрены эксперименты по непосредственному наблюдению движения доменной границы ОПД в узком канале, соединяющем экспериментальную камеру с основным объемом 3Не в теплообменниках. До проведения этих экспериментов не было однозначного ответа на вопрос: входит ли доменная граница ОПД в канал. Наличие скачков в сигнале полощения ОПД в магнитных полях Нс и Н? (Рис. 2а) тоже не имело удовлетворительного объяснения.

Эксперименты проводились при давлении 11 бар и на рабочей частоте 460 кГц. На канале были помещены две миниатюрные приемные катушки. Сигнал от этих катушек складывался из сигнала, наведенного через трансформаторную связь с основными приемно-передающими катушками, и из сигнала, наведенного

Рисунок 1: Сигнал поглощения - а) и дисперсии - Ь) ОПД при температуре ниже температуры катастрофической релаксации.

Рисунок 2: Проникновение ОПД в канал, а) - сигнал поглощения ОПД из основных приемно-передающнх катушек. Ь) - сигнал поглощения и с) - сигнал дисперсии иг миниатюрной катушки на канале. Стрелкой показан дополнительный сигнал, полученный непосредственно от ОПД в канале.

намагниченностью, прецессирующей в области пх чувствительности. На Рис. 2Ь) п с) приведены сигналы поглощения и дисперсия из одной из миниатюрных катушек. На этих записях можно увидеть сигнал, наведенный намагниченностью ОПД, входящей в области чувствительности миниатюрной катушки, что и является доказательством того, что доменная граница ОПД выходит за пределы экспериментальной камеры. В момент скачка в поле Нс непосредственный сигнал от ОПД исчезает.

В дальнейшем были проведены эксперименты, в которых сканировалось магнитное попе в области Нл < Н < На , не разрушая при этом ОПД. При уменьшении поля всегда наблюдался в миниатюрной катушке сигнал непосредственно от ОПД. Он исчезал п моменте достижения поля Нс. На обратном ходу непосредственный сигнал от ОПД не наблюдался. Это означает, что п поле 11 с доменная граница ОПД скачком перемещается из спектроскопп-чеси равновесного положения в новое положение. В этом положении она, при обратном сканировании, захватывается РЧ полем. В работе Ю.М.Буньковаи О.Д.ГПшофеевской [14] было показано, что доменная граница ОПД в неспектроскопнческом положении меняет свою толщину и форм-фактор, в следствии чего возникает дополнительная реяаксацпа за счет спиновой дпффузпп.

11а основе проведеных пссдедований можно пояснить природу скачков в сигнале поглощения ОПД, обладающих гистерезисом по магнитному полю: в поле Нс доменная граница ОПД скачком перемещается в неспектроскопическое положение меняя при этом свою морфологию. Это является причиной появления дополнительного поглощения ОПД. В поле Н^ доменная граница ОПД захватывается РЧ полем, скачком превращается п спектроскопическую, что п является причиной скачкообразного исчезновения дополнительного поглощения ОПД.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

11

Таким образом в диссертации получены следующие основные результаты:

в Обнаружена магнитная релаксация в сверхтекучем 3Не-В являющаяся основной при температурах ниже температуры катастрофической релаксации при давлении 0 бар и не имеющая теоретического объяснения.

• Впервые проведены прямые наблюдения проникновения ОПД в канал с осью, параллельной магнитному полю. На основе этих исследований определена природа скачков в сигнале поглощения ОПД, обладающих гистерезисом по магнитному полю.

в Создала и приведена в работу установка для получения сверхнизких температур путем ядерного размагничивания медп. Ступень размагничивания меди нового дизайна полностью изготовлена технологией диффузионной сварки.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах

в Yu.M.Buukov, V.V.Dmitriev, Yu.M.Mukharskiy, J.Nyeki, D.A. Sergatskov Catastrophic Relaxation in 3He-B at 0.4 Tc. Rurophys. Lett., 8, (1989), pp.645-649

в A.Felier, A.Grcser, P.Petrovic, P.Stefanyi, J.Nyeki, P.Skyba, V. Makroczyova, E.Gazo, K.Flachbart, S.Janos Pozorovanie su-pratekutych faz 3He metodou kontinualnej JMR. Czech. J. Phys., A40, (1990), pp.380-393

в Yu.M.Buukov, V.V.Dmitriev, D.A.Sergatskov, A.Feher, E.Gazo, J.Nyeki Diffusion-welded Laminar Nuclear Stage. Physica -В, 165&166, (1990), pp.53-54

в Yu.M.Buukov, V.V.Dmitriev, J.Nyeki, Yu.M.Mukharskiy, D.A. Sergatskov, I.A.Fomin Instability of the homogeneous precession in 3He-B (catastrophic relaxation). Physica B, 165&166, (1990), pp.675-67

12

• Я.Нехи, П.Скпба, А.Фегер, Ю.М.Буньков Экспериментальное наблюдение нового вида магнитной релаксации в 3Не -В. Письма в ЖЭТФ, направлена в печать

Литература

[1] Л.П.Пптаевский, ЖЭТФ, 37 (1959) 1754

[2] D.D.Osheroff, R.C.Richardson, D.M.Lee, Phys.Rev.Lett., 28 (1972) p.885; D.D.Osheroff, J.W.Gully, R.C.Richardson, D.M.Lee, Phys.Rev.Lett., 29 (1972) 920

[3] А.С.Боровик-Романов, Ю.М.Буньков, В.В.Дмитриев, Ю.М.Мухарскпй, Ппсьма в ЖЭТФ, 40 (198-1) 256

[4] И.А.Фомин, Письма в ЖЭТФ, 40 (1985) 260

[5] А.С.Боровик-Романов, Ю.М.Буньков, В.В.Дмитриев, Ю.М.Мухарскпй, Е.В.Поддьякова, О.Д.Тпмофеевская, ЖЭТФ, 96 (1989) 956

[6] А.С.Боровик-Романов, Ю.М.Буньков, А.Де Ваард, В.В.Дмп-триеп, В.Макроцпева, Ю.М.Мухарскпй, Д.А.Сергацков, Ппсьма в ЖЭТФ, 47 (1988) 400

[7] Yu.M.Bunkov, V.V.Dmitriev, Yu.M.Mukharskii, Physica В, 178 (1992) IPS

[8] Yu.M.Bunkov, V.V.Dmitriev, A.V.Markelov, Yu.M.Mukharskii, D.Einzel, Phys.Rev.Lett., 65 (1990) 867

[9] Yu.M.Bunkov, V.V.Dmitriev, Yu.M.Mukharskiy, J.Nyeki, D.A.Sexgatskov, Europhys. Lett., 8 (1989) 645

[10] Yu.M.Bunkov, S.N.Fisher, A.M.Gueuault, G.R.Pickett, G.R.Pickett, Phys.Rev.Lett., 68 (1992) 600

[11] Yu.M.Bunkov, S.N.Fisher, A.M.Guenault, G.R.Pickett, Phys.Rev.Lett., 69 (1992) 3092

13

[12] A.J.Leggett, S.Takagi, Annals of Phys, 106 (1977) 79

[13] T.Ohmi, M.Tsubota, T.Tsuneto, Jpn.J.Appl.Pliys., 26 (1987) 169

[14] Ю.М.Буньков, О.Д.Ъшофеевская, Письма в ЖЭТФ, 54 (1991) 232

14