Параэлектрические и акустические резонансные явления в примесных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАД2.Ш НАУК УССР Донецкий физико-технический институт

На правах рукописи

<2?С7 У

САБУРОВА Вагина Васильезна

УДК 537.226:539.2

ДАРАЭДЕКТРИЧВСЙЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРИМЕСНЫХ. КРИСТАЛЛАХ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени ■ доктора физико-шгеъ-агических наук

Донецк - 1383

Работа выполнена в Казанском физико-техническом.институте им. Е.К.Завойского'КФАК СССР -

Официальные откшенты: доктор физико-математических наук,

член-корресловдент АН УССР Толпыго К.Б.

доктор физико-математических наук, • профессор Кристофель H.H.

доктор физико-математических наук, профессор Глинчук Ы.Д. .

Ведущая организация: Тбилисский государственный университет

Защита состоится " "_• 19 " г. .в часов

на заседании специализированного совета Д 016.32.01при Доиецв физико-техническом институте АН УССР по адресу: 340II4, Донецв ул. Розы Люксембург, 72.

.. С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Донецкого физико-технического института АН УССР.

Автореферат разослав " " ■_19 г.

Ученый секретарь специализированного совета,-доктор физико-математических наук Н.к.Даньшги

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнсс-гь проблемы

Большое внимание б физике твердого тела уделяется изучению влияния дефектов (примесей, вакансий, дислокаций и т.д.) на различные физические-свойства кристаллов, поскольку многие ннтерес-1ше и ванные с прикладной точки зрения свойства обусловлены реальной- структурой вещества и могут контролироваться изменением концентрации дефектов. Например, в качестве рабочего вещества е мазерах и лазерах широко используется рубин, применение которого в квантовой электронике связано с особенностями энергетического спектра примесных ионов хрома л его релаксационными характеристиками.

■В настоящее время получила развитие новая область микроволновой спектроскопии - спектроскопия примесных реориенткруемых (тушзелирупцих) электрических дзполышх центров в кристаллах. Построение последовательной теории наблюдаемых параэлектрических явлений, предсказание новых эффектов в параэлектрических системах представляет важную задачу этой области исследования цртгесных кристаллов. Обычно параэлектрическими системен (ПЭС) называют кристаллы, активированные молекулярными (типа 0Н~) или нецентральными (типа ¿£ + ) ионами замещения, обладающими вследствие туннелирования диифетшш энергетическим спектром и, как правило, ; большим электрическим дшгальным моментом и сильной связью- с решеткой кристалла. Такие примесные центры называет еще параэлектрическими центрами (ДЭД). ДараэЛектрический резонанс (ПЭР) - аналог ашракагштаного резонанса - впервые набладался в 1966 г. С тех 'пор пароэлектрическая резонансная спектроскопия нашла широкое применение в изучении параэлектрических систем и развитии прикладных исследований (адиабатическое параэлектрическое охладдение, низко-.температурная.термометрия, фононвые усилители, модуляторы СБЧ-ди-апазона л др.). Ухе в. первых ПЭР-экспериментах были найдены короткие времена релаксация ПЗЦ (порядка 3 не в КС?-0Н~пр' температуре'I »4 К). Первое теоретическое исследование низкотемпературной релаксации ПЗЦ в ПЭС было выполнено одновременно Бредево (196?) и диссертантом (1967,1975). Далее теория ларазлектрическоп релаксации интенсивно развивалась, улучпад согласно с экспериментальными данными, рядом исследователей (Б.Дик ч др. 1968, 1970, 1977,1979; й.Лкги, С.Кадхан 1970,1972,1374; Сацгзр, шоре 1971,

1972,1975; Глинчут. и др. 1972,1975; М.Вагнера и др.). Явление акустического параэлектрического резонанса (АПЭР), позволяющее детально изучать сильное дипольфоношюе взаимодействие ПЭЦ, предсказано диссертантом в 1968 г., теоретически исследовалось Вихни-ным (1972), диссертантом (1972,1973,1977) и экспериментально наблюдалось Наьа и др. (1980,1982). Магнитные явления в ЕЭС имеют характерные особенности, обусловленные наличием в них быстроре-лаксирующих ПЭЦ. Магнитная ядерная релаксация ПЭЦ исследовалась теоретически (Глинчук и др. 1972; Коновалов и др. 1973,1975) и экспериментально (Д.Харгман, В.Олсен 1971; А.Клейтон, Р.Котс 1974). Магнитная релаксация ядер основной решетки ПЭС. впервые рассмотрена диссертантом (1974) и экспериментально наблюдалась на ядрах Въ в No.bx.-F"и Кб в МСС- Ад* (О.Канерт и др. 1979, 1985). Эксперименты подтвердили вывода теории о значительном укорочении времени магнитной релаксации ядер основной матрицы в 'ПЭС. Помимо стационарного метода ПЭР параэлектрлческие системы исследуются импульсными резонансными методами. Теория свободной индукции и эха в этих системах при кажущейся общности их описания с аналогичными явлениями в магнитных спиновых системах имеет специфические особенности, связанные, например, с необходимостью учета большого неоднородного ушрения линий ПЭР, наличия как нёдпагона-льных, так и диагональных матричных .элементов в гамильтониане взаимодействия системы с внешними переменными полями. Теория сверх-излучательных явлений в ПЭС впервые была разработана нами (1967, 1973,1975,1977 и т.д.), а затем в работах Дерюгиной и Ройцина (1973Д975), Кузьмина (1980). ¡Электрическое дшкхльное эхо в ПЭС наблвдали Жофрен и др. (1979,1982), а генерацию фононов в импуль-. сном решме - Пал и др. (1969); 1Убо (1974).

Параллельно с исследованиями одночастичных резонансных явло-1Шй внимание физиков привлекает изучение коллективных свойств в ПЭС, которые наблюдаются при высоких концентрациях примесных тун-нелирующих диполей. При температурах К и относительных кон-

центрациях с > 10"^ наблюдаются аномальные температурные зависимости диэлектрической постоянной, теплоемкости, теплопроводности, петля диэлектрического гистерезиса, остаточная поляризация и т.д. Низкотемпературные кооперативные свойства.щелочногалоидных- кристаллов с параэлектрическими центрами аналогичны некоторым кооперативным явлениям в разбавленных магнитных сплавах - спиновых стеклах и частичнодейтерированных водородосодерцащих сегнетоэлоктри-

ках. Щелочногалоидные' кристаллы, содержаще ПЩ, являются простейшими удобными модельными системами для теоретического исследования эффектов упорядочения в разбавленных дидсльных системах. Кооперативные явления в ПЭС.исследовались теоретически и экспериментально, однако вопрос о природе фазового перехода системы из неупорядоченной фазы в упорядоченную окончательно не решен а является актуальным по сей день. Начало исследованиям фазы дипольного стекла в примесных ионных (щелочно'галоидных) кристаллах бшю положено в работе IJ.Клейна и др. (1976). Диссертантом продоляены исследования эффектов упорядочения ПЗЦ в ионных щзисталлах (1979, 1980,1982,1984); изучено влияние сильной диполь-решеточной связи на электродипольное упорядочение, найден спектр коллективных возбуждений и т.д. Как в теории спиновых стекол, многие про<1лемы остаются нерешенными в случае алактродипсяьных стекол (последовательный учет флуктуаций, построение релаксационной теории фазы ди-посьного стекла и другие).

Вышеперечисленные обстоятельства обусловливают актуальность теоретического исследования одночастичннх и коллективных свойств параэлектрических систем.

Цели и задачи работы

Основной целью работы является создание теоретической основы микроволновых спектроасопических исследований в ПЭС (выявление специфики л.преимуществ ПЭС) и развитие теории коллективных- низкотемпературных эффектов в ПЭС. Такая задача включает в себя I) исследование эффектов сильной диполь-решеточной связи ПЗЦ в релаксационных процессах, акустическом параэлектрическом резонансе, ■ злектродипольноы упорядочении, генерации фанонов в ПЭС, 2) исследование особенностей формирования сигналов индукции и эха в ПЭС, 3) построение микроскопической теории спектра коллективных возбуждений, 4) резонансного рассеяния фононов и поглощения звука связанной примесной туннельно-фононной системой.

. Научная новизна

В работах, полоненных в основу диссертации, развиваются теоретические аспекты нового направления ми!фовсшювой спектроскопии - электрической спектроскопии примесных туннелирупцих дипольшос центров в кристаллах (ПЭР-спектроскоплл). Впервые исследовали: низкотемпературная релаксация молекулярных параэлектрических центров в сильном постоянном злектрпчес:даы поле, атустическиЯ rapa-

йлектричесгах резонанс, ¡магнитная релаксация ядер основной матрицы кристалла с пароэлектрическими центрами.

Впервые предложено использовать методы импульсной когерентной резонансной спектроскопии для изучения параэлектрических систем, а именно: катоды свободной аддукции и эха. При этом разработан z использован в расчете интенсивностей когерентных откликов матричный метод временной эволюции матрица плотности квантовой системы, в спектре взаимодействия которой с внешними переменными полями присутствуют недаагональные и диагональные матричные элементы. Впервые развита теория формирования сигналов пароэлектрической аддукции и эха в условиях большой неоднородной ширины :zi-нии ПЭР при возбуждении систеш импульсом большой длительности. Впервые теоретически исследована генерация фононов в параэлектри-ческих системах импульсами электромагнитного поля.

Исследованы коллективные явления в системе примесных параэле-ктрическкх центров в целочногалоидных кристаллах. Впервые учтено влияние сильной диполь-решеточной связи на функцию распределения случайных молекулярных полей. Впервые рассмотрены коллективные возбуждения з пароэлектрических системах,' рассчитаны резонансное рассеяние фононоз и диссипативная часть акустической восцриимчи- • зости системы коллективизированных дипольних примесей, сильно связанных с колебаниями решетки ионного гфисталла.

Практическая ценность

Подученные результаты позволяет получать ценную информацию о свойствах примесных кристаллов. Сравнение теории с экспериментом позволяет найти такие параметры параалектричаских систем, как величину электрического дипольного момента, времена параэлек'гричес-1X12. и магнитной релаксации, параметры тукнелирования, константы даполь-решеточной и даполь-дипсльной связи. Например, по. затуханию сигналов первичного и стимулированного эха мозно определять времена необратимой фазовой и продольной релаксации. По спаду сигналов индукции и спектральной ширине сигналов эха - времена обратимой фазовой релаксации в системе. Нами рассчитают параметра системы в внешних полей, необходимые для постановки зхо-эксперимен-, тов. Анализ механизмов генерации фононов и поглощения звука покат исаодьзоваться при создании генераторов и усилителей гиперзвука. Методы исследования кооперативных эффектов, развитие в работе, и полученные с их помощью результаты необходимы-для глубокого псян-каная природы электродиподьяого упорядочения в 'примесных кркстал-

лах. Экспериментальное исследование кооперативных эЬтектов позволяет определять температуру фазового передо;;:- из яг.раэлектричес-кой фазы в фазу дипольного стекла исследогать влияние сильно;: диполь-решеточной связи на кооперативные явления, изучать концентрационную и температурную зависимости коллективных мод.

Большинство результатов, полученных в работе, либо доступно непосредственной экспериментальной'проверке, либо у-е подтверждено на опыте. Все результаты по отнонению к эксперименту монно разделить на две группы. К первой относятся те результаты, которые предшествовали постановке экспериментов. Например, явление АГОР наблюдалось в дымчатом кварце, содеркащем ПЭЦ, учеными Венесуэлы (Нава и др., 1980,1982). Магнитная релаксация ядерных спинов основной решетки в N06%: ^,.Р6СС •■Ад* наблюдалась группой немецких ученых (Канерт и др., 1979,1985). Во Франции Жофрен и др. (1979, 1982) наблюдали первичное и стимулированное эхо в дымчатом кварЦе, содержащем параэлектрические центры. Ко второй группе, относятся результаты, которые объясняют уне тлевшиеся к моменту появления наших работ экспериментальные данные. Ыы описали, например, • релаксацию параэлектрического центра ОН' в КСС (Брон, Дрейфус, 1966), генерацию фононов в КСС (Пол и др., 1969), а такке поведение диэлектрической восприимчивости в зависимости от температуры, в ПЭС с большой концентрацией ПЭД (Кэнциг и др.,1964; Фи ори, 1971)» Кроме того, наши результаты стимулировали дальнейшее развитие теоретических исследований акустического параэлектрического резонанса, эхо-явлений в дипольных системах и параэлек-трической релаксации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Теория релаксационных явлений в парацентрических системах. Предсказание и исследование механизмов релаксации ПЭЦ и * магнитной релаксации ядер основной матрицы кристалла.

2. Предсказание и расчет акустического параэлектрического резона. нса для, случаев слабой и сильной диполь-решеточной связи; расчет механизма'генерации фононов в ПЭС.

3.' Расчет интенсивностей сигналов параэлектрического эха в системе частиц с постоянным дипольным моментом.

4. Построение теории злектродипольного упорядочения пр:1-.:сс:-:^х ту::-нелирующих центров-в щелочногалоцдных кристаллах. ¡Гсслодзз^:-:-.-влияния сильной диполь-решеточной связи на вид йун::ц::;: распределения случайных, полей электрических дипольных прп^:зс;:ых цен-

тров в щелочногалоидных ¡фисталлах.

5. .Микроскопическое описание коллективных возбуждений в системе двухуровневых туннелирующих электричоских дшюльных примесных центров в щелочногалоидных кристаллах.

6. Теоретическое исследование резонансного рассеяния фононов и поглощения звука системой коллективизированных параэлектрических центров в ионных кристаллах в приближении сильной связи дараэ-

- лектричесшх центров с-колебаниями решетка.

Основные защищаемые положения имеют приоритетный характер ' и вапш для развития' теории параалектрического резонанса и релаксации, физики неупорядоченных сред, теории когерентной импульсной спектроскопии и-квантовой акустики. • ■

ЛЛУОбаШЯ работы

Результаты работы докладывались и обсуадались на XI Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Таллин, 1973), на XX конгрессе AMPERE (Таллин, 1978), на Международной конференции "Дефекты в диэлектрических кристаллах" (Рига, 1981), на Всесоюзных конференциях по физике низких температур (Минск, 1976; Харьков, 1980; Тбилиси, 1936; Ленинград, 1988), на Всесоюзных конференциях по акустозлектронике и квантовой акустике (Харьков, 1972; Казань, 1974; Ташкент, 1978; Душанбе, 1981; Саратов, 1983), на Всесоюзных симпозиумах по световому эхо (Казань, 1973; Ка-, зань, 1981; Харьков, 1985), на Всесоюзной конференции по сегнето-электричеству (Шнек, 1982) и Всесоюзной конференции по магнитно-, цу резонансу в конденсированных средах (Казань,' 1984), на семинарах КФТИ КФАН СССР, Института физики.АН ЭССР, Института физики АН ГССР, Института пройдем материаловедения АН УССР.

. Публикации. По теме диссертации опубликована одна монография и 28 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация достоит из, введения, пяти глав, заключения и десяти приложений. Общий объем диссертации составляет 236 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 17: рисунков и список литературы из 234 наименований.

. СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики, приведено краткое содержание работы, сформулированы проблемы а цели иссдедова-ния, отмечены новизна и практическая ценности, работы и выдвинуты

основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена изучении низкотемпературной релаксации параэлектрических центров в кристаллах и акустического параэ-лектрического резонанса. Б ней рассматривается дшоль-фононное взаимодействие ПЭД 0Н~ в КСС , механизмы связи ПЭД с решеткой, : подробно исследована сднофононная релаксация. Показано, что предложенный наш механизм релаксации, обусловленный модуляцией колебаниями решетки кристаллического электрического поля, действующего на пароэлектрическую примесь, являете, одним из основных механизмов релаксации ПЭД, объясняющим короткие времена паразлектри-ческой релаксации в ПЭС. В отличие от парамагнитных примесных ионов в кристаллах в случае ПЭД связь электрической дипельной примеси с решеткой прямая (без дополнительного канала связи спин -- орбита). Сальная свяёь обусловлена несферичностью формы иона 0Н~ возможностью смещения иона ОН' из узла решетки. Отмети.-, что в.мшфоволновой области частот лараэлекгрпчеекпе примесные центры являются единственными резонансными'примесями, имеющие: большие электрические дшгальные моменты (порядка 1+6 Д) и константа ион-фононного взаимодействия (порядка КГ^+Ю-15 Да).

Далее рассмотрено явление резонансного поглощения акустических волн молекулярными пароэлектрическими центрами в кристаллах для случаев слабой и сильной диноль-решеточной связи. Явление акустического пароэлектрического резонанса (МЭР) состоит в избирательном поглощении энергии акустической волны системой примесных тунн'елирущих.дишльных.электрических центров в кристалле, ''-находящейся в постоянном электрическом поле. Считается, что энергия ультразвука передается системе электрических диполей посредством ■следующих механизмов. Когерентные колебательные деформации решетки, обусловленные ультразвуком, модулируют центральное короткодействующее взаимодействие (взаимодействие Борна-Ыайера) гараэле-ктрическогр иона с блитайшини соседними ионами, а также кристаллическое электрическое <цдлв, действующее на рлектрическуг примесь. Показано, что сильная дицоль-решеточная связь приводит к перенормировке туннельного параметра и появлению релаксационного поглощения наряду с резонансным. Расчеты показали перспективность использования акустически: резонансных методов в исследовании ПЭС.

Нала предсказано значительное укорочэЕие времена магнитной релаксации ядер основной матрицы кристалла, содержащего быстрсре-лахсируыцие ПЭД. Предложены некоторые механизмы релаксации. Пред-

полагается, что I) квадрупольная .релаксация ядер происходит благодаря действию Флуктуирующего градиента электрического поля, создаваемого электрическими диполями ПЗЦ, на ядерный квацрупольный момент; 2) продольна! магнитная релаксация монет быть связана с модуляцией магнитного диполь-дипольного взаимодействия мезду' спи-ко:.: ядра ПЗЦ и соседним ядерным спином, обусловленной 'переориентацией дшольной примесной молекулы. Рассмотренные явления были подтаерзденн экспериментально.

Вторая глава, посвящена изучению' низкотемпературного кооперативного поведения ПЗС с большой концентрацией ПЭЦ. Исследована статика электродипольного упорядочения в системе двухуровневых туннелирующих электрических диполей, связанных меяду собой электрически!.; диполь-дипольным взаимодействием. В приближении эффективного поля с заданной (гауссовой) функцией распределения диполь-. кых связей исследованы состояние типа дипольного стекла и сегне-то-фаза. Определены параметры.порядка этих фаз, найдены условия' перехода системы из одной фазы в другую, рассчитан рад термодинамических величин. Другой подход в исследовании эффектов упорядочения электрических дипольных цримесей в кристаллах состоит в на-. хондении вида функции распределения случайных молекулярных полей ' (iE.II) , где Яс - молекулярное поле, действующее на I -

ый диполь. Знание уРШ позволяет решать различные задачи в статике и динамике кооперативного поведения неупорядоченных сред, в -том числе параэлектрических систем. Исследуется 4К1П электрических дополышх приг.есей с двухуровневым спектром, сачзанных электрическим диполь-дипольным взаимодействием для -случаев слабой и . сильной даполь-резеточной связи (Д?С)' примесного центра. Свойства

(Я) анализируются посредством, изучения моментов функции

У (Л), содержащих некоторые параметры тк (являющиеся параметрами порядка), дая которая момко записать систему нелинейных алгебраических уравнений. Анализ системы уравнений дая параметров тк ( К = 1,2,...) показал, что при температурах 7">Г, существуют тривиальные решения ¡Пк= 0, которые дают <Г-образный бид ФИШ, ^(Я)= &(Л) (параэлектрическая фаза). Температура =/?№*:{£}, где множество ( Тк } представляет собой точки ветвления решений системы уравнений дая пгл . Ним Тк тлеются нетривиальные решения дая параметров шк . Вблизи точек ветвления Тк параметры тк критически зависят от температуры ¡ /л^ - дая Т< Тк и тк = 0 дая Т>ТК . ,

Далее исследуется влияние сильной ДРС на ввд ФКЖ. Учет ДРС приводит к перенорлировке диполь-дипольного взаимодействия. Наряду с прямым электрическим диполь-дипольным взаимодействием в гамильтониане системы в результате канонического преобразования появляется косвенное электрическое диполь-дшюльное взаимодействие через поле виртуальных фононов. При некоторой концентрации С„ . происходит-изменение вида ФЕЛП. Когда С<С0, ФРШ определяется преимущественно косвенным взаимодействием. Характер решений уравнений для тк тот же, но концентрационная зависимость { Тк'} видоизменяется вследствие более сложной зависимости косвенного взаимодействия от расстояния мезду примесями. Когда концентрация диполей ОС,, взд ЙВД. определяется как прямим, та:; и косвенны:,! взаимодействием. Сильная диполь-решеточная связь приводит: I) к увеличении температуры перехода (по сравнению со случаем слабой диполь-решеточной связи), 2) к изменению концентрационной зависимости температуры перехода, а такзе 3) к изменению вида функции, распределения ¿(А).

В третьей главе дано микроскопическое описание кногочастично-го энергетического спектра системы взаимодействующих мезду собой и с колебаниями решетки ПЭц в щелочно-галоидном кристалле и рассматривается ряд динамических кооперативных явлений (рассчитывается -резонансное рассеяние и.поглощение Кононов в параэлектричес- ■ ких системах). Исследование резонансного рассеяния фононов проводилось посредством изучения аналитических сеойств усредненной по конфигурация:.! примесных диполей фононной функции Грина. С помощью разработанной В диссертации диаграммной техники получено общее выражение для функции Грина, анализ полюсов которой позеодил записать следующее уравнение для коллективных туннельно-фононных . Еозбуздений:

о>г-е^ с 0<ё*>о соги , ш

Р ОТ - СОр

где

£2=£*+сл1,<Р2(ОЬ С £ Ш),

р <л)г

где - постоянные диполь-дапольного,. диполь-решеточного

взаимодействия и параметр туннелирования. Теория возмущений строится-по двум малым параметрам: обратному радиусу диполь-дапольно-го взаимодействия и по отношению . Спектр и затухание ;сол-

лективных возбуждений дипольной подсистемы найдены с точностью до членов С Я2 и и/Ъ)0 , где 1-{Явь/гср)ъ , - радиус ди-поль-дополького взаимодействия, Т^р - среднее расстояние мевду примесными диполями. Показано4■ что связанные поевдоспзш-туннель-но-фононные моды являются распространяющимися с длиной волны, большей среднего расстояния 'мевду примесями, но б достаточно сильны,! затуханием. Спектр анизотропен, зависит от температуры и геометрии образца, имеет щель, обусловленную туннелированием. Воз-бувдения существуют как в фазе дипольного стекла, так и в пара-фазе.

Впервые рассчитано резонансное рассеяние фононов и динамическая акустическая восприимчивость. Выражение для фононного пропа-гатора как функции массового оператора позволило онвсать процессы рассеяния фонона данной моды системой коллективизированных параэлектрических центров. Обращение массового оператора в ,бесконечность в некоторых точках плоскости комплексной частоты можно интерпретировать как резонансное рассеяние фонона на возбувдениях (1). Исследовалась частотная и концентрационная зависимости мнимой части массового оператора, описывающей, время жизни фонона данной моды. Рассматривались две скорости затухания фонона, одна из которых обусловлена сильной диполь-решеточной связью, а другая • скорость затухания связана с конечностью времени жизни коллективных . туннельыо-фононных возбуадений. В одночастичном пределе первая скорость затухания согласуется с акспериментальными данными.

Показано, что поглощение звука обладает..критическими температурными особенностями, и вблизи частот коллективных,возбуждений возрастает. Поглощение в фазе дапольного стекла является преимущественно релаксационным.

В четвертой, главе рассматриваются основные принципы л особенности формирования сигналов паразлектрической индукции и эха .(первичного, стимулированного, вторичных). Предлагаемые наши импульсные методы исследования ПЭС являются эффектившши вследствие большой величины электрических дшюльных моментов ПЗЦ, возможности исследования быстропротекаищих релаксационных процессов и получения уникально^ информации о ПЭС..

Впервые наш поставлен и рассмотрен вопрос об эхо-сигналах в квантовых системах со средним дипольным моментом, не равным нулю, который (наряду с дипольным моментом перехода) взаимодействует с .внешним осциллирующим полем. "Продольная" компонента взаимодействия с осциллирующим полем оказывает существенное влияние на характер взаимодействия диполей с импульсом, приводя к ряду интересных эффектов. Для таких систем впервые предложено использовать в расчете эхо матричный вариант нестационарной теории возмущений, позволяющий рассчитать Т-экспоненту при использоваюш параметра малости, равного отношению амплитуд переменного и постоянного полей. В результате расчета впервые найдены (помимо "основного" сигнала эхо) "дополнительные" эхо-отклики, интенсивность которых зависит от величины среднего дипольного момента. Подобные отклики долшш быть при определенных условиях и в световом эхо, где их наблюдение-такав•возможно в современных условиях эксперимента. Появление зависящих от среднего дипольного момента эхо-откликов . связано с наличием "продольного" взаимодействия диполей с импульсным полегл. Интенсивность "основного" сигнала (не зависящего от среднего дипольного момента) уменьшается. "Дополнительные" сигналы менее интенсивны по сравнению с "основным", имеют другие усло-. вия на волновые вектора (излучение "расплывается" по другим направлениям) и связаны с гармоншакиизлучениЯ. При этом можно говорить о комбинационном рассеянии"- "сворачивании".гармоник и излучении на резонансной частоте в отсутствие импульсного переменного поля. Необходимо отметить осцидляционный характер амплитуд- -эхо--откликов'системы вследствие-их зависимости от функций Бесселя.. Эксперименты Жофрена и др.- подтвердили 'возможность использования импульсных методов типа спиновой индукции и. эха доя исследования ПЭС. '

В пятой главе описана.генерация фононов в ПЭС. Возможность эффективной генерации ¿ононов обусловлена сильной связью параэлектрических центров с решеткой, на несколько порядков превышающей сппн-фононную связь в кристаллах с парамагнитными примесями. Рассчитаны сигналы фононной индукции и зха (первичного, стимулированного, обращенного, одноимпульсного). Найдена ориевтационная зависимость этих сигналов, моменты формирования откликов, рассчитаны интенсивности сигналов и предложены системы, наиболее подходящие. . для экспериментов по генерации фононов. Далее в этой главе -рассчитано фононное эхо в стекле, содержащем двухуровневые системы с

асимметричным двухъяыным потенциалом. Учет параметра асимметрии возможен благодаря использованию вашей методики расчета эхо.

Сигналы фононной индукции и axa достаточно интенсивны, что не удивительно ввиду сильной диполь-решеточной связи па-раэлектрического центра. Эта связь была использована в экспериментах по импульсной генерации фононов в параэлектричес-ких системах K,CZ• ОН~ и Kit'-Lï^ • Для объяснения экспериментальных данных мы предложили двухкьантовый механизм генерации фононов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В заключении диссертации резюмированы основные результаты:

1. Исследовано диполь*решеточное взаимодействие црныесното молекулярного параэлектрического центра в кубическом кристалле. Предложены механизмы низкотемпературной релаксации паравлект-рического центра, заключающиеся в модуляции колебаниями решетки кристаллического электрического поля, действующего на пара-элекгрическую примесь, а также электрического диполь-дипольного взаимодействия между ПЭЦ.

2. Впервые рассмотрено явление акустического параэлектрического резонанса. Рассчитаны коэффициенты акустического поглощения для случаев слабой и сильной диполь-решеточной связи молекулярного параэлектрического центра.

3. Предложены механизмы продольной магнитной релаксации ядер основной матрицы кристалла, содержащего быстрорелаксирупдие пара-электрические центры. Установлено, что квадрупольная релаксация основных ядер кристаллической решетки, происходящая благодаря переориентации электрических дипольных примесей, является более эффективной по сравнению с релаксацией, обусловленной модуляцией магнитного диполь-дипольного взаимодействия между спином ядра ПЭЦ и соседним ядерным спином основной рещеткя кристалла эа счет туннельного движения ПЭЦ.

4. Впервые предложено использовать методы свободной индукции • и эха для изучения параэлектрических сиотем. Получены выражения -для интенсивноетей сигналов параэлектрического эха (первичного, стимулированного, обращенного и т.д.), возбуждаемых электромагнитными и звуковыми импульсами. Показано, что наряду с "обычными" сигналами эха имеются эхо-сигналы меньшей интенсивности, зависящей от величины среднего дипольного момента ПЭЦ. Найден сдвиг резонансной частоты, зависящий от среднего дипольного момента ПЭЦ.

5. Найдены особенности в формировании сигналов параалектржче-

ской индукции и эха импульсом большой длительности. Еосредствсм численного интегрирования определена форма сигнала однсЕ-лульскс-го эха при различных параметрах возбуздаащих импульсов.

6. Предложен механизм двухквантоЕой генерации когерентного звукового поля посредством импульсного электромагнитного возбуждения параэлектрической системы. Получено качественное согласие теории с эксперимектьлыпагд данными, показавший перспективность использования параэлектричзских систем для генерации фснспоз.

7. Развита теория электродипольного упорядоченного состояния типа спинового стокла для пароэлектрических примесей в целочнога-лоидкых ггристаллах с большой концентрацией дефектов. Для систем двухуровневых туннелирующих электрических диполей найдены пара^э-тры'порядка, ряд термодинамических величин и определены условия перехода системы из параэлектрической базы в фазу дипольного стекла.

8. Впервые учтено плияние сильной дшоль-решеточной сп-тзл ПЭЦ на фушэдш распределения случайных молекулярных полей электрических дипольных примесей в кристалле. Показано, что ЖШ гпеет 1:ритическпе те.таератур:ые особенности, связанные с критическими особенностями параметров порщпса. Установлено, что сильная дасоыь--решеточная связь приводит к изменении вида '4Ш1, уЕеличоншэ температуры фазового перехода и изменению ее концентрационной зависимости. • •

9. Построена микроскопическая теория спектра коллективных возбувденай в системе хаотично расположенных в решетке целочно-га-лоцдного кристалла привесных туннелирующих глектричес1:их диполе?., связанных меаду собой' электрическим дилоль-дипольным взаимодействием и взаимодействующих (сильно) с колебаниями решетки, «сслеяо-зана температурная зависимость спектра и затухание коллективных возбуэдений. Показано, что коллективные возбузденгя хмют шхг:^ моду е в параэлектрической фазе, и в фазе дипольного сте:оа.

10. Развита теория резонансного рассеяния Фоеоеов снс7э::ой коллективизированных паразлектрических центров в кристалле, скль-но связанных с решеткой. Найдено выражение для времена елзеп фонола, исследована частотная и концентрационная зависимости времени зизни.

11. Впервые рассчитана дассипатиЕная часть динамической афотической восприимчивости системы связанных ме-ду собой з с колебаниями решетки паразлектрических центров в щелочногалоддном крл-

ст.тлле. Покапано, что погло с ле в «азе дипольного стекла является преимущественно релаксагщ ^нным. Коллективизация одночастичных состояний пароэлектрических центров приводит к тешшратуркш ано-мзлням дассипативной части восприимчивости на частотах связанных , т^ашельно-фононных мод.

■ Основные результаты работы опубликованы з монографии:

1. Котшллем Y.X., Сабурова Р.В. Паразлектрический резонанс, Ыос-1за, Наука, 1982, 224 с.

и I следующих статьях:

2. Сабурова Р.В. Продельная релаксация электрических диполей в кристаллах.- ФТТ, 1967, т. 9, й 9, с. 2487-2490.

3. Сабурова Р.В. Взаимодействие электрических диполей через поле фононов.- Ф1Т, 1963, Т. 10, № 2, с. 572-575.

4. Сабурова Р.В. Акустический паразлектрический резонанс в ксе-он-,- УФК, 1973, т. 18, И 5, с. 862-863.

5. Сабурова Р.В. Продольная ядерная. магнитная релаксация в KCi-OH'.- ФТТ, 1974, т. 16, В 5, с. I50I-I503.

6. Сабурова Р.В. Туннельные состояния и фононная релаксация 0Н~ -депонта в кубическом кристалле.- УФЕ, 1975, т. 20, Jü 6,

с. 942-945.

7. Гслешидев-Кутузов В. А., Сабурова Р.В., Шамуков H.A. Двойные иагяитоакустпческие резонансы в кристаллах.- УФН, 1976, т.1X9, :i>2, с.'201-222.

8. Ваганова Ф.С., Сабурова Р.В. Электромагнитное и акустическое возбуждение сверхизлучательного состояния в параэлектрических системах. Сб. Электромагнитное сверхизлучение, г. Казань, 1975, с. 267-293.

9. Сабурова Р.В., Баталова Ф.С. Генерация фононов в пароэлектрических системах. Тезисы докладов 19^ Всесоюзного совещания по физике низких температур. Минск, 1976, стр. 754-755.

10. Баталова Ф.С., Сабурова Р.В. Акустическое и электромагнитное возбуедо'ле сверхизлучательного состояния в кристаллах с пара-элоктрнче.скиш прл:,;есяг,ш.- Оптш:а и спектросглшш, 1977, т.43, J5 3, с. 474-479.

11. Ваганова £>.С.Ершов Г.Ы., Сабурова Р.В. Сверхизлучательные эффекты i пароэлектрических системах.- ФТТ, 1977, т. 19, В 10, с. 3045-3049.

12. Vagapova F.S., Er3hov G.M., Saburova R.V. Superradianie in paraelectric systems.- j?roc. . XX Congress AMPERE, 'Collin, 1978, Sprinser-Verlag, 1979, p. 415.

13. Баталова Ф.С., Сабурова P.В. Параэлектричесгай резонанс.- Сб. Когерентное возбугдение конденсированных сред. г. Владивосток, 197Э г., с. 75-98.

14. Сабурова Р.В. К теории электродипольного упорядочения пркмее-ных центров в кристалл;«.- ФТТ, 1979, т. 12, л 2. с. 6C6-G07.

15. Баталова Ф.С., Ершов Г.М., Сабурова Р.В. Одаошдхульсное возбуждение сигналов параэлектричесгай индукции и эхо.- Оптика :: спектроскопия. 1979, т. 47, & 6, с. I0G2-IC04.

16. Vaeapova P.S., Saburova R.V. The theory of parauleitric induction and echo formation under conditions of a Strong inho-шоеепеоиз broadening.- Phyn. Stat. Sol.Cb), 19SO, v. 100,

H 2, p. 435-443.

17. Баталова Ф.С., Сабурова P.B4 К теории фокотюго эха в стскло.-ФП, 1980, т. 22, И 10, с. 3II8-3I23.

18. Akh-nadullin X.Sh., Saburova R.V. Peatures of molecular fields distribution function of electric dipoles in crystals.- Phya. Stat. Sdl.(b), 1982, Ii.1, p. X15-K18.

19. Akhmadullin I.'oh., Saburova R.V. Piionon scattering by parae-leotrical centers in. crystals. I.General.- Phya. Stat. Sol. (b), 1982, v. 112, U2, p. 367-378.

20. Akhmadullin I.Sh., Saburova R.V, Ihonon scattering by parae-lectrical centers in crystals. II Loire at order approximation.- Fhys.- Stat. Sol.(b),. 19S2, v. 113, If 1, p. 137-145.

21. Сабурова Р.В. К теории низкотемпературных кооперативных свойств примесных туннелирулцих диполей в металлах.- Уй£, 1982, т. 27, & 8, с. I209-I2I3.

22.. Сабурова Р.В. Об одном мехагшзме электростритщиокной генера-цкн гиперзвука в непьезоэлектрических твердых телах.- ФТТ, 1934, т. 26, П 2, с. 614-616.

23. Ахмадуллин И.Ш., Сабурова Р.В. Низкотемпературные аномалии поглощения звука взаимодействующими параэлектричесюллц центрами в кристаллах.- ФНТ, 1984,-т. 10, ¡1 9, с. 969-977.

24. Ахмадуллин И.Ш., Сабурова Р.В. Диэлектрическая динамическая восприимчивость дапойьных стекол.- УФЕ, 1904, т. 29, ?i II, с. I69I-I695.

25. Сабурова Р.В. Обращенное параэлектрическое с о,- ФТТ, I9S5,

т. 27, В 9, с. 2669-2672.

25. Сабурова Р.В. Световое эхо в системе частиц с постоянным ди-псльеык ыскентоы.- УЖ, 1986, т. 31, й 9, с. 1406-1410.

27. Сабурова Е.В. Зхо-эффекты в синусоидальных патях.- Тезисы докладов Зсесовзной конференции "Применение магнитного резонанса з народном хозяйстве". Казань, 1988, часть Ш, с. 123.