Особенности мюонной релаксации в квантовых кристаллах He и Ne тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 538.941;539.126.334.17

МЕЙЛИХОВ Евгений Евгеньевич

ОСОБЕННОСТИ МЮОННОЙ РЕЛАКСАЦИИ В КВАНТОВЫХ КРИСТАЛЛАХ Не и N6

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1996

Работа выполнена и Ипституте сверхпроводимости и физики тпердого тола Российского Научного Центра "Курчатовский Институт"

Научный руководитель -

> кандидат физико-иатецатических паук Е.П. Краспоперов

Официальные оппонепты -■

доктор физико-математических паук В.И. Селиванов кандидат физико-математических наук Ю.М. Белоусов

Ведущая организация - Петербургский институт ядерной физики РАН

Защита состоится Ю96 г. в часоп на заседании специали-

зированного совета по ядерной ф| зике и физике твердого тела ДОЛ 1.01 (1'_> РНЦ Курчатовский Институт по адресу: 123182, Москва, пл. И.В. Курчатова, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСФТ'Г РШД К И Автореферат разослан

19% г.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу секретарю специализированного сошпл.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 1)34.04.02 кандидат фнзико-ыатеыатических наук

М.Д. Скорохплгпв

Общая характеристика работы

1.ктуальность темы. Настоящая диссертационная работа посвящена ис-ледованлю квантовых кристаллов. Этот термин относится к твердым телам, юмы которых совершают нулевые колебания с амплитудой, сравнимой с ме-;атомным расстоянием. Наиболее ярко квантовые свойства проявляются у ристаллов гелия, в особенности его более легкого изотопа - 3Не. Свойства вантовых кристаллов оказались столь богаты и необычны, что их изучение тактически превратилось в самостоятельный (и весьма обширный) раздел шзшш твердого тела. Этой теме посвяшены десятки обзорных статей и онографпй. Среди наиболее ярких открытий в этой области можно отметь обнаружение квантовой диффузии нейтральных примесей в твердом ге-ии, магнитного упорядочения за счет обменного взаимодействия в твердом Йр, кристаллизационных волн на границе раздела сверхтекучая жидкссть-вердое тело, и многих других уникальных макроскопических квантоьых ффектов.

Согласно современным представлениям (см., надример, обзор [1]), де-)екти в квантовых кристаллах во многих случаях могут рассматриваться ак делокализоваяные квазичастицы. Так, вакансии в твердом гелии имеют пектр, аналогичный спектру дырки в полупроводнике, а их подвижность есьма высока. Равновесные вакансии, концентрация которых достаточно елика при относительно высоких температурах, определяют целый ряд войств кристалла: диффузию заряженных и нейтральных примесей, тело емкость, магнитные (в случае 3Не) свойства.

Особый интерес представляет поведение заряженных частиц в твердом ге-ии. Подвижность электронов и ионов Не+ весьма подробно исследовалась с омощью время-пролетной методики. В обоих случаях подвижность экспо-енппально падает с понижением температуры, причем энергия активации лпзка к энергии активации для диффузии нейтральных примесей в высо-отемпературной области. Это совпадение принято интерпретЬровать как видетельство универсального ваюнсгонного механизма диффузии лриме-ей в кристаллах гелия. Квантовая диффузия заряженных частиц в гелии :е наблюдалась.

Хотя движение примесей в твердом гелии исследуется с начала 60-х годов, опрос о микроскопической структуре дефектов, особенно структуре окружения заряженных примесей, остается открытым. Несмотря на достаточно азвитую систему теоретических представлений, отсутствие прямых экспе-иментов не позволяет сделать какие-либо определенные выводы об указаний структуре. Неизвестно также, каким образом наряженная частила вли-ет на свойства кристалла в ее непосредственной близости (частоту сшгао-ого обмена, диффузию нейтральных примесей, движение вакансий и т.п.).

(

Мюонный метод, как нельзя лучше приспособленный для изучения ло кального окружения- заряженной частицы, до сих пор не применялся дл исследования кристаллов гелия из-за технической трудности такого экспе римента (в первую очередь, проблемы связаны с необходимостью сочетани. давления в несколько десятков атмосфер и тонкого входного окна плотно стью р1 не более 40-50 иг/си"1). Помимо приведенных выше соображений интерес к /¡БИ-экспериментам в твердом гелии объясняется следующим об стоятельством. Масса мюона как известно, в 30-40 раз меньше маса иона Не+, и, кроме того, он представляет собой примесь внедрения, а н замещения. По указанным причинам характер диффузии положитольног мюона может оказаться принципиально другим, чем для ионов гелия. Диф фузия положительных мюонов (если она имеет место) также может быт эффективно изучена методом /лБИ. .

Как известно, имплантация положительных мюонов в исследуемое веще ство может сопровождаться образованием атома мюония Ми = Про

цесс образования Ми представляет большой самостоятельный интерес, яб ляясь важным аспектом физики взаимодействия частиц высоких и средни энергий с веществом. Обзор этой темы выходит за рамки настоящей работы однако само явление оказалось весьма существенным для настоящей работ! по двум причинам. Во-первых, процесс образования мюония з конденси рованных телах во многих случаях (в том числе, как показано в главе II] в конденсированных гелии и неоне) определяется не химическими реакци ями высокоэнергичной частицы, а макроскопическими свойствами вещества в частности подвижностью инжектированных заряженных примесей. Во вторых, процесс формирования Ми протекает с частичной потерей мюое ной спиновой поляризации. Поэтому знание механизма и типичных време образования мюония необходимо для интерпретации наблюдаемой релаксг шш спина ¡1+ в любом диэлектрике, в твердом гелии в том числе. Таки: образом, выявление общих закономерностей процесса образования мюони в конденсированных средах, не являясь основной целью диссертации, стал ее важной составной частью. Наиболее подходящим объектом для реик ния этой задачи явились конденсированные благородные газы, электронны свойства которых изучены весьма подробно как теоретически, гак и эксп* рвмснтально.

Перечисленные соображения определили основные задачи, которые прех полагалось решить в рамках настоящей диссертационной работы.

Дели исследования

1. Изучение основных закономерностей процесса образования мюония жидком в твердом неоне с использованием внешнего электрическог поля.

!. Разработка методики и изготовление оборудования для проведения мюонных исследований жидкого и твердого гелия при температурах до 0.4 К и давлениях до 100 атм с возможностью создания электрического поля в объеме образца.

!. Изучение влияния молярного объема на процесс формирования мюония в жидком 3Не и 4Не в диапазоне давлений 0-70 атм.

:. Исследование температурной зависимости скорости деполяризации мюонов в твердом 4Не и 3Не в широком интервале их молярных объемов и в различных магнитных полях при температурах от 0.4 К до точки плавления с целью определения кинетики легкой заряженной частицы в квантовом кристалле, а также изучения влияния заряженного дефекта на свойства самого кристалла.

. Выяснение характера возможного влияния внешнего электрического поля на релаксацию мюонного спина в твердом гелии; разделение влияния магнитных и электрических взаимодействий на деполяризацию.

аучная новизна настоящей работы определяется следующим:

. Изучен процесс формирования мюония в конденсированном неоне и гелии при различных молярных объемах. На основе проведенных исследований сформулированы основные закономерности, определяющие образования мюония в широком классе веществ.

. Впервые проведены /хБК-исследования твердого 'Не и 4Не. Обнаружен ряд принципиально новых эффектов, происхождение которых связано с квантовыми свойствами кристаллов гелия (в том числе, специфическая температурная зависимость скорости деполяризации мюонов и ее возрастание под действием внешнего электрического поля).

: Дан анализ полученной экспериментально наблюдаемых закономерностей мюонной релаксации. Обсуждены возможные механизмы зависимостей скорости релаксации от температуры, магнитного и электрического полей. Предложена модель, связывающая наблюдаемые эффекты с макроскопическими свойствами квантовых кристаллов.

«учно-практическая ценность работы состоит в осуществлении сле-

ощих оригинальных методических разработок:

Создано оригинальное криогенное оборудование, позволяющее выращивать кристаллы гелия под давлением до 100 атм и исследовать их методом /хБИ при температурах до 0.4 К в электрических полях до 2 кВ/см. Закрепление стартового счетчика на азотной экране криостата, которое

полностью устранило фон "паразитных" остановок мюонов в конструкционных материалах, и ряд других оригинальных технических решений позволили впервые провести мюонные исследования твердого 4Не и 3Не.

• Изготовлена специальная экспериментальная камера для мюонных исследований конденсированных газов на фазотроне ОИЯИ с использованием высоких электрических полей. Конструкция камеры позволила избежать захвата заряженных частиц, образующихся при разделении трека мюона, на поверхностях, соприкасающихся с образцом. Таким образом, устранена систематическая ошибка, связанная с создаваемыми такими зарядами паразитными электрическими полями.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Образование мюония в жидком и тзердом неоне, а также в жидком гелии при различных молярных объемах происходит в результате рекомбинации термализованных мюона и электрона. Скорость и характер процесса формирования Ми зависят от подвижности заряженных частиц в среде. Так, малое время образования мюония в твердом неоне определяется высокой подвижностью избыточных электронов в зоне проводимости. Основные особенности процесса образования мюония, в том числе анизотропия распределения мюон-электронных пар, рекомЗинируюших с образованием Мп, оказываются универсальными для всех исследованных вешеств.

2. Создано уникальное криогенное оборудование, позволившее впервые провести мюонные исследования твердого гелия.

3. Происхождение мюонной релаксации в твердом гелии связано исключительно с диполь-дипольным взаимодействием мюона и ядер атомов Не. В твердом 4Не, ядра которого не обладают магнитным моментом, диамагнитная фракция составляет 100 %, а скорость релаксации мюонного спина Л предельно мала и составляет 0.002(2) мкс~\ Таким образом, твердый гелий является единственным из исследованных до сих пор диэлектриков, где эффекты типа образования мюония и химических реакций мюона на "горячей" стадии не оказывают влияния на поляризацию

4. Скорость релаксации спина /х+ в твердом 3Не имеет немонотонную зависимость ог температуры. Наблюдаемое сужение линии не может быть объяснено црыжковым движением аналогичным движению ионог. Не+ и электронов, наблюдавшемуся во время-пролетных экспериментах.

Обработка магнитополевых зависимостей скорости деполяризации \(Н,Т) в предположении о динамическом сужении линии приводит к выводу о температурно-зависящем локальном поле на июоне Н\х и слабой зависимости корреляционного времени от Т.

Обнаружено возрастание скорости деполяризации при низких температурах под действием внешнего электрического поля. Показано, что этот эффект имеет принципиально иную природу, чем в жидком гелии и твердом неоне, и не имеет отношения к взаимодействию мюона с частицами трека. Таким образом, обнаружено новое физическое явление, происхождение которого, по-видимому, связано с деформацией кристалла вокруг заряженного вызываемой приложением электрического поля.

Наблюдаемые особенности релаксации могут быть объяснены переходом мюона из междоузлия в вакантный узел кристаллической решетки. Такой процесс оказывается возможным благодаря высокому коэффициенту диффузии вакансий.

[робация работы. Результаты исследований, составивших содержание :сертации, были представлены на ряде конференций:

VI Международная /iSR-конференция, США, Мауи, 1993 г.

XX Международная конференция по физике низких температур, США, Юджин, 1993 г.

III Международный симпозиум по взаимодействию мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1994 г.

X Международная конференция по сверхтонким взаимодействиям, Бельгия, Лёйвен, 1995 г.

'бликации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 пе-ных работах. Список статей приведен в конце автореферата.

руктура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, тав. заключения и списка лигерагуры, содержит 111 страниц машиногш-го текста, включая 25 рисунков и 8 таблиц. Библиография содержит 111 [менозаний.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, дана обща характеристика работы, сформулированы ее задачи, а также приведен] основные положения, выносфше назаютту.

Первая глава носит вводный характер и посвящена обзору свойств кон денсированных инертных газов (КИГ).

В § 1.1 анализируются литературные данные об электронных состояния: в конденсированных благородных газах. В разделе 1.1.1 приведены общи сведения о зонной структуре КИГ, перечислены основные методы, служащи источником информации об энергетических уровнях электронов. Свойств; избыточных электронов, делокализованных в зоне проводимости обсужда ются в разделе 1.1.2. Основное внимание уделено их подвижности и ана лизу экспериментальных данных, полученных с помощью время-пролетно] методики. Изложены также теоретические представления о движении элек тронов в зоне проводимости, включая газо-кинетический подход Лоренца ] теорию Шокли [2], учитывающую разогрев электронов во внешнем элек трическом поле. В разделе 1.1.3 обсуждается специфическое явление ■ локализация электрона в "пузырьке". Состояние электрона в среде опре деляегся конкуренцией между энергией поляризационного притяжения 1 энергией нулевых колебаний. В КИГ с низкой диэлектрической проница емостью (конденсированный гелий, жидкий неон) энергетически выгодны:, оказывается образование вокруг, электрона квазимакроскопической облает; нулевой плотности -"пузырька", радиус которого зависит от коэффициент; поверхностного натяжения. Аналогичное явление наблюдалось в плотны; газах, и, по-видимому, в твердом гелии. Критерий стабильности такого со стояния электрона получен с помощью численных расчетов ¡3). На основ! указанного критерия проводится сравнение свойств жидкостей, в которкг образуются стабильные'электронные "пузырьки".

В § 1.2 рассмотрены основные свойства квантовых кристаллов, наиболо ярким представителем которых является .твердый гелий. Раздел 1.2.1 по священ общим свойствам твердого гелия: " стабильности кристаллическо( решетки и нулевым колебаниям атомов [4], процессам обмена и свойствам те шгавых вакансий [5]. Особое внимание уделено теоретическим представ л е нням о вакансиях как квазичастицах. Дав обзор экспериментов, выпол ценных преимущественно методом ЯМР, приведены их главные результаты относящиеся к свойства вакансий и указывающие на определяющую рол последних в кинетических свойствах кристаллов при высоких температу рах, а также к спиновой диффузии в твердом 3Не. Анализируются зави симосга энергии активации вакансий и обменного интеграла от молярной объема кристалла, полученные из различных типов экспериментов, прово дитса их сравнение с расчетом. В разделе 1.2.2 рассматривается диффузш ' 4

[ейтральных (изотопических) Оркмесей & твердом гелии. Ее квантовые осо-енности были вначале предсказаны теоретически [6], а затем и обнаружены кспериментально [7]. Примесь 3Не в 4Не также может рассматриваться :ак квазичастица, однако, в отличие от вакансий, такал частица обладает ■зкой энергетической зоной шириной ~ 10~* К. Это обстоятельство опреде-лет ряд специфических особенностей диффузии изотопических примесей: ильную зависимость коэффициента диффузии от температуры в области >ононного рассеяния, Д- ос Г-8, Высокое сечение рассеяния примесей друг а друге, <т ~ 100а2 (где а -межатомное расстояние), своеобразную кон-ентрационную зависимость XV Ё разделе 1.2.3 дан обзор свойств заря-сенных примесей в твердом гелии. Обсуждается вопрос о структуре положительных зарядов, который до настоящего времени остается открытым.. В гой связи подчеркивается, что данйая проблема может быть эффективно зучена методом рБЯ. Особое внимание уделяется движению заряженных астиц в гелии. Согласно современным представлениям, диффузия заря-ов обоих знаков происходит по вакансионному механизму, что приводит экспоненциальной зависимости подвижности от температуры. Наиболее бедительным аргументом в пользу этого механизма является совпадение зергий активации для диффузий примесей 3Не и зарядов й кристалле 4Не !]. Обсуждаются также особенности зависимостей дрейфовой скорости за-, ядов от электрического ноля - переход от линейного к корневому закону и 1льный (и ос (Е + Во)3) рост в сильных электрических полях. Эти особен-эсти могут быть объяснены спецификой движения вакансионов и их взаи-эдействием с областью несимметричной деформации, возникающей вокруг [ряда в электрическом поле.

В заключении главы определен круг нерешенных проблем и обсуждены >рспективы использования мюонного метода для исследования квантовых

шсталлов.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования в

:тодики проведения измерений. .

Исследования конденсированного неона проводились с использованием андартного криостата промежупЛных температур, устанавливаемого на оонном канале ОИЯИ (Дубна), но потребовали изготовления специальной меры образца с электродом для создания электрического поля. Эта камера ксана в §2.1. Однако, основные технические трудности были связана с спериментами второго типа -исследованием конденсированного гелия под влением. Для этих экспериментов было создано оборудование, не имею->е аналогов в технике ¡хБК-эксперимента. Описание этого оборудования, также методики приготовлений образцов составляет основное содержание >й главы (§2.2).

В разделе 2.2.1 описана экспериментальная ячейка, в которой выращив лись кристаллы гелия. Наибольшие затруднения вызвала конструкция в? дного окна, которое, с одной стороны, должно быть прозрачным для мюо ного пучка с импульсом около 30 МэВ/с, а, с другой стороны, выдержива давление до 100 атм. Это привело к необходимости уменьшить диаметр ок. до 12 мм и принять специальные меры предосторожности для предотвраи ния смешения (децентровки) мишени в результате теплового сжатия част криостата. С этой целью стартовый счетчик мюонов был закреплен на азе ном экране криостата и снабжен гибким световодом. В результате удало полностью избавиться от "паразитных" событий, связанных с останови мюонов в конструкционных материалах.

Раздел 2.2.2 посвящен описанию конструкции рефрижератора откач 3Не. Особое внимание уделено системе тепловых экранов, которая поз1 ляла осуществлять охлаждение в условиях общего вакуума с каналом пуч! В разделе 2.2.3 описан ^БИ-спектрометр и методика проведения измерен! приведены основные параметры мюонного пучка. Конструкция газифт тора, использовавшегося для создания повышенного давления в камере, 1 ходика выращивания кристаллов, в том числе контроля за процессом рос: рассматривается в разделе 2.2.4.

В третьей главе представлены исследования процесса формирован мюония в конденсированном неоне и гелии под давлением. В §3.1 кра! изложены результаты экспериментов в сверхтекучем гелии. Фактичеа они явились первым прямым свидетельством в пользу трекового механиз образования Ми. Кроме того, эта работа позволила вывести проблему фс мирования мюония из области неопределенных рассуждений в область 4 зшш конденсированного состояния, связав ее с такими макроскопически свойствами вещества, как подвижность заряженных частиц. Тем самым, 1 явилась возможность предсказания характера образования Ми в вещестг

Параграф 3.2 посвящез экспериментам в конденсированном неоне. С1 пифика процесса формирования мюония в гелии обусловлена высок подвижностью зарядов в сверхтекучей жидкости. В то же время, электро обладают высокой подвижностью в ряде "обычных" веществ. В разде 3.2.1 представлена мотивация экспериментов и обоснован выбор конд| сированного неона как объекта исследований. Существенным свойством ] она является высокая подвижность избыточных электронов в твердой ф; (е~ делокализован в зоне проводимости) и малая подвижность заряди жидкости (е~ локализован в пузырьке). Это позволяет исследовать п] цесс образования мюония как в случае малых времен образования, так 1 случае медленного сближения и е~. В разделе 3.2.2 изложены резу таты экспериментов. Зависимость амплитуды прецессии мюония Ами внешнего электрического поля показана на рис. 1. В твердом неоне А

Электрическое поле, кВ/см

Рис. 1. Зависимость амплитуды прецессия мюония > твердом (•, Т = 23 К) и жидком (Л, Т = 26 К) неоне от внешнего электрического поля. Сплошная кривая соответствует модельному расчету. Пунктира»« линия проведена для ваглядвосгв. На вставке схематически изображена экспериментальная камера. Знак Е соответствует полярности напряжения на электроде I).

составляет около 80 % и несимметрично уменьшается для различных направлений поля. Это свидетельствует об анизотропном относительном распределении электрона и мюона: преимущественно смещен в направлеЕИИ своего начального импульса. В жидком неоне амплитуда прецессии ммо-ния мала 20 %) из-за большого времени образования Ми И возникающей ' вследствие этого дефазировки в поперечном магнитном поле. Увеличение Л Ми под действием поля связано г уменьшением времени сближения /ие" и, соответственно, ослаблением эффекта дефазировки. Результаты анализируются в предположении уединенной электрон-м'-оонной пары. Проводится сравнение параметров распределения для неона,4 Не и 3Не.

В § 3.3 изложены результаты экспериментов в жидком гелии при повышенном давлении. Благодаря аномально высокой сжимаемости, жидкий гелий предоставляет возможность изучить параметры распределения электрон-мюонных пар в одной и том же веществе при различных молярных объемах У,пЫ, то есть различных концентрациях атомов. Возможно также сравнение параметров для 3Не и 4Не при одинаковых молярных объемах.' Такой сравнительный эксперимент был проведен для 3Пе при р — 23 атм и нормального 4Не при р = О (К^ = 27.2 см5). Наблюдавшееся впечатляющее

совпадение скоростей деполяризации для всего диапазона электрических полей указывает ва определяющую роль У^ в формировании распределения элекгр он-мзоонных пар.

Выявленные общие закономерности процесса образования мюония в конденсированном гелии и неоне, являются, по-видимому, универсальными для значительно более широкого класса веществ. С другой стороны, на основании проведенных экспериментов можно утверждать, что параметры распределения пар — е~ в твердом гелии будут отличаться от параметров в жидкости только в силу отличия Уты. Это обстоятельство оказывается важным при ана пизе релаксации спина мюона в твердом гелии.

Четвертая глава посвящена первым мюонным исследованиям твердого гелия. В §4.1 изложены результаты экспериментов в твердом 4Не. Как и. ожидалось, из-за низкой подвижности заряженных частиц в твердом гелии время, сближения мюона и электрона оказалась много больше времени жизни мюона, так что образование июоккя в эксперименте не наблюдается: в поперечном магнитном поле амплитуда прецессии составляет 100%, а скорость релаксации пренебрежимо мала, Л = 0.002(2) МГц. Таким образом, происхождение релаксации в твердом 3Не может быть связано исключительно с диполь-дипольным взаимодействием мюона с ядерными магнитными моментами.

В §4.2 представлены результаты экспериментов в твердом 3Не. Исследовались кристаллы,, выращенные род давлением от 33 до 71 атм (молярный объем от 21.3 до- 24.3 см3). Для мюона, диффундирующего по ва-кансионному механизму, можно было ожидать, что скорость релаксации А будет быстро расти с понижением температуры непосредственнониже точки плавления и выходить на плато, определяемое спиновым обменом атомов 3Не, в области низких температур. Вместо этого -в эксперименте наблюдалась немонотонная зависимость А (Г) (см. рис. 2). Таким образом, мюонная релаксация в твердом гелии определяется другим, более эффективным механизмом "сужения линии".

Учитывая малую массу мюона, можно было предположить, что для него вероятность туннелирования не мала, и его коэффициент диффузии имеет специфическую температурную зависимость, отвечающую наблюдаемой зависимости скорости релаксации, А(Г) = 7*Я£ет(Г) (где Н¡^ - локальное поле на мюоне, т - время ожидания прыжка). Как известно, в случае динамического сужения линии значения Н[х и г могут быть независимо получены из магнитополевой зависимости скорости релаксации. Зависимости А (Я) при нескольких температурах показаны на рис. 3. Как видно, характерное поле подавления релаксации, по порядку величины равное слабо меняется с температурой.

Ю

При низких температурах (Т < 0.7 К) обнаружен интересный эффект -возрастание скорости релаксации под действием внешнего электрического поля (символы (•) на рис. 2). Следует отметить, что это явление имеет иную природу, чем обсуждавшееся в III главе влияние поля на взаимодействие мюона с электронами трека и, по-видимому, связано со спецификой взаимодействия мюона с квантовым кристаллом.

В §4.3 обсуждаются возможные механизмы релаксации, и.делается попытка объяснения наблюдавшихся эффектов. В разделе 4.3.1 анализируется . модель диффузии мюона. Показано, что эта модель противоречит магнито-полевым зависимостям скорости релаксации, поскольку приводит к выводу о температурной зависимости локального поля Я},* и постоянству корреляционного времени т. В. то же время, изменение Н\ж с температурой может иметь определенное физическое объяснение, которое обсуждается в разделах 4.3.3 я 4.3.4. Раздел 4.3.2 посвящен модели захвата мюона в ловушке. С помощью этой модели пе удается объяснить двукратное уменьшение скорости релаксации с ростом магнитного поля в области малых значений А (Г С: 1 К). В разделе 4.3.3 обсуждается возможное влияние немагнитной примеси - 4Не - на релаксацию спина /л+. Примесь 4Не в матрице 3Не обладает, по-видимому, достаточно высокой подвижностью, так что при температурах выше 1 К атомы 4Не могли бы достаточно быстро заместить атомы 3Не в ближайшем окружении мюона1 уже при средней концентрации 4Не порядка Ю-3. Однако, последующие эксперименты показали, что зависимости А(Т) идентичны для сверхчистого 3Не (х< ~ Ю-8) и 3Не, содержащего 0.05 % 4Не. Тем самым установлено, что при указанных концентрациях: примесь 4Не не оказывает влияния на релаксацию.

В разделе 4.3.4 показано, что наблюдаемые особенности релаксации могут быть объяснены переходом мюона из междоузлия в вакантный узел решетки. Локальное поле в междоузлии невозмущенной решетки 3Не составляет 0.3-0.4 мкс/7^. Эта величина находится в неплохом согласии с обработкой магнитополевой зависимости скорости релаксации при низкой температуре. Если один из ближайших к мюону узлов решетки свободен, то /1+ может занять вакантный узел и стать "примесью замещения". В этом случае локальное поле на мюоне будет в 2.3-2.4 раза ниже. С ростом температуры концентрация вакансий быстро растет, и время диффузии вакансии к мюону становится малым. В эксперименте такая ситуация будет наблюдаться как уменьшение эффективного локального поля на мюоне, в то время как корреляционное время будет определяться спиновым обменом окружающих атомов, слабо меняясь с изменением температуры. Увеличение скоро-

!Как покалывают оцени», терипяииашвчеад ргюошесвшл вояпедтрадм *Де вблизи мраядшой «станы может оказаться значятелвоа (х^ — I при объятой «ониеотрашш ~ 10"э) из-за . зширязашютюго прошения ■ развили обуеио«, ггвтиааагх атоиалн 'Не я 'Не.

0.2 --

я 1-1

£

я

со и И

а с; о

о о. о а;

и

0.1 --

0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

Г, К

Рис. 2. Температурная зависимость скорости деполяризапии мюонов в твердом гелии: о. Д - 3Не при молярных объемах 22.4 см3 (р = 53 атм) и 21.3 см3 (р = 71 аг.м) соответственно: □ - ''Не прн 20.5 см3 (р = 33 атм). Символами (•) показана релаксация во внешнем электрическом поле 1.7 кВ/см.

0.3

£

0.10 J-

ч 8.

о U

0.03

200 300

Магнитное поле, Гс

500

Рис. 3. Зависимость скорости релаксации ыюопного спина от поперечного магнитного поля для кристалла с молярным объемом 21.3 см3 при различных температурах: о -

0.37 К, » - 0.6 К, Д - 0.9 К, А - 1.0 К. Все сплошные кривые отличаются лишь постоянным множителем.

сги релаксации при Т > 1 К может быть объяснено активационным уходом вакансии и возвращением ;/.4 в междоузлие. Что же касается возрастания Л iiод действием электрического поля, то этот эффект, по-видимому, связан с возникновением области несимметричной деформации вокруг положительно заряженного мюона, для которого электрическое поле представляет собой внешнюю силу. Такая деформация может затруднить приближение вакансии к мюону при относительно низких температурах, либо повлиять на спиповый обмен в окрестности мюояа.

В заключении диссертации изложены основные результаты работы.

Основные выводы и результаты работы

1. Создана оригинальная криогенная установка, позволяющая выращивать кристаллы гелия под Давлением до 100 атм и исследовать их методом /îSR при температурах до 0.4 К и в электрических полях до 2 кВ/см. Закрепление стартового счетчика на азотном экране криостата, которое полностью устрапило фон "паразитных" остановок мюонов в конструкционных материалах, и ряд др;тих оригинальных технических решений позволили впервые провести мюонные исследования твердого 4Не и -1Не.

'2. Изготовлена экспериментальная камера для мюонных исследований конденсированных газов на фазотроне ОИЯИ с использованием высоких

электрических полей. Специальная конструкция ячейки образца устраняла паразитные электрические поля, связанные с возможным захватом заряженных частиц на диэлектрических поверхностях.

3. Исследован процесс образования мюония в жидком и твердом неоне, а также в жидком гелии при различных молярных объемах в диапазоне давлений 0-60 атм. Во всех случаях формирование Ми происходит в результате рекомбинации термализованных мюона я электрона. Скорость п характер процесса образования Ми зависят от подвижности заряженных частиц в среде. Так, малое время образования мюония в твердом неоне определяется высокой подвижностью избыточных электронов в зоне проводимости, в то время как в сверхтекучем гелии существенной является высокая подвижность '"лъдышек", образуемых положительными зарядами. Основные особенности распределения мюон-элекгронных пар, рекомбпнирующих с образованием мюония, оказываются универсальными для всех исследованных веществ.

4. Проведены первые мюонные исследования твердого 4Не и 3Не в широком диапазоне молярных объемов при температурах от 0.37 К до точки плавления. Показано, что происхождение мюонной релаксации в твердом гелии связано исключительно с дилоль-дипольным взаимодействием мюона и ядер атомов Не. В твердом 4Не, ядра которого не обладают магнитным моментом, диамагнитная фракция (р.+) составляет 100 %. а скорость релаксации мюонного спина Л предельно мала и составляет 0.002(2) мкс-1. Таким образом, твердый гелий является единственным из исследованных до сих пор диэлектриков, где эффекты типа образования мюония и химических реакций мюона на ''горячей5' стадии не оказывают влияния на поляризацию

5. Скорость релаксации спина в твердом 3Не имеет немонотонную зависимость от температуры. Наблюдаемое сужение линии не может быть объяснено прыжковым движением аналогичным движению ионов Не+ и электронов во время-пролетных экспериментах.

С. Исследованы магнитополевые зависимости скорости релаксации А в твердом 3Не при различных температурах. Обработка гависимостей А(Я) в предположении о динамическом сужении линии за счет диффузии приводит к выводу о температурно-зависящех локальном поле на мюопе Я/«; и слабой зависимости корреляционного времени от Т.

7. Обнаружено возрастание скорости деполяризации при нкзких температурах под действием внешнего электрического поля. Показано, что этот эффект имеет принципиально иную природу, чем в жидком гелии и твердом неоне, и не имеет отношения к взаимодействию мюона

с частицами трека. Таким образом, обнаружено новое физическое явление, происхождение которого, ао-видимому, связано с деформацией кристалла вокруг заряженного вызываемой приложением электрического поля.

S. Наблюдаемые особенности релаксации могут быть объяснены переходом мюона из междоузлия в вакантный узел кристаллической решетки. Такой процесс оказывается возможным благодаря высокому коэффициенту диффузии вакансий в твердом гелии.

9. Частота обмена в окрестности слабо зависит от температуры и молярного объема кристалла. По-видимому, динамика ближайшего окружения мюона и степень искажения решетки в основном определяется равновесием между поляризационным взаимодействием гелиевых атомов с положительно заряженной частицей и энергией нулевых колебаний мЛ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Meilikhov Е.Е.. V.N. Duginov, D.G. Eshchenko, E.P. Krasnopero-. T.N. Mamedov, V.G. Ol'shevskv, V.Yu. Pomjakushin, A.N. Ponomarev, V.A. Zhukov, On muonium formation in condensed neon, Proceedings of III International Simposium on Vfuon and Pion Interaction with Matter, Dubna, 1994, pp.23-28

2. Красноперой Е.П., E.E. Мейлихов, A.H. Пономарев, Д.Г. Ещенко, В.H. Дугинов, B.A. Жуков, Т.Н. Мамедов, В.Г. Ольшевский, В.Ю. По-мякушия, О формировании мюония в конденсированном неоне. Письма в ЖЭТФ, 1994, 59, вып.11, с.721-724

3. Krasnoperov Е.Р., E.E. Meilikhov, D. Efchenko, R. Abela, D. Herlach, E. Morenzoni, G. Soit, U. Zimmermann, F. Gygax, A. Schenk. Electric-field dependence of muonium formation in snperfluid hélium» Hyp. Int., 1994, 87, pp.1011-1016

4. Baines C., D. Eshchenko. D. Herlach, E. Krasnoperov, E.E. Meilikhov, G. Soît, U. Zimmermann, Pressure effects on Mu formation in liquid He. PSI Nucl. Part. Phys. Newslett., 1994, p. 79

5. Красноперов Е.П., E.E. Мейлихов, Д. Геряах, Дж. Шслт. У. Циммер-манн, Д.Г. Ещенко, О мюонной спиновой релаксации в твердом JHe. Письма в ЖЭТФ. 1995, 61, вып.12. с.964-970

6. Krasnoperov Е., E.E. Meilikhov, С. Babes, D. Herladi, G. Soit, U. Zimmermann, D. Eshchenko, Muon spin relaxation m solid helium-3. Hyp. Int., 1995, в печати

Т. Eshchenko D.G., Е.Р. Krasnoperov, Е.Е. Meilikhov, Muonium formation in condensed neon, Proceedings of the 7th. International conference on muon spin rotation, Nikko, Japan, 1996, в печати

8. Krasnoperov E.P., Е.Е. Meilikhov, D. Herlach. U. Zimmerraanii, D.G. Eshchenko, Anomalous muon relaxation in solid 3He, Proceedings of the 7th International conference on muon spin rotation, Nikko, Japan, 1996, в печати

Цитированная литература

1. Kagan Yu., N.V. Prokof'ev, Quantum tunneling diffusion in solids, in: Modern problems in condensed matter science, A.J. Leggett and Yu.M. Kagan eds., North-Holland, 1992

2. Shockley W., Hot electrons in germanium and Ohm's law, Bell System Tech. J., 1951, 30, No.4, pp. 990-1034

3. Springett B.E., J. Jortner, M.H. Cohen, Stability criterion for Ihe localization of an excess electron in a nonpolar fluid, J. Chem. Phys., 1960, 48, No.6, pp. 2720-2731

4. P. Гюйе, Физика квантовых кристаллов, в сб.: Квантовые кристаллы, М., "Мир", 1975, с. 23-133

5. Guyer R.A., R.C. Richardson, L.I. Zane, Excitations in quantum crystals (A survey of NMR experiments in solid helium), Rev. Mod. Phys., 1971. 43, No.4, pp. 532-600

6. Андреев А.Ф., И.М. Лифшиц, Квантовая теория дефектов в кристаллах.

, ЖЭТФ, 1969т 56, вып.6, с.2057-2068

7. Григорьев В.Н., Б.Н. Есельсон, В.А. Михеев, Диффузия Не3 в ОЦК и ГПУ фазах твердых растворов изотопов гелия, ЖЭТФ, 1974, 66, вып.1, с.321-329

8. Андреев А.Ф., Диффузия в квантовых кристаллах, УФН, 1976, 118, вып.З, с.251-271