Структура и динамика молекулярного комплекса He x|-2 (a3 Σ + u ) в конденсированных фазах гелия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Введение

1 Основные свойства эксимерных молекул гелия

1.1 Классификация и структура молекул Не*2.

1.2 Исследования молекул Не?; в конденсированном гелии

1.3 Динамика образования и распада эксимеров в гелии.

1.4 Трип летные молекулы в магнитном поле.

2 Экспериментальная установка и методы исследований

2.1 Способ генерации молекул.

2.2 Экспериментальная ячейка

2.3 Оптическая схема и измерение поглощения.

2.4 Криогенная система и линия чистого гелия.

2.5 Выбор оптимального режима работы острий.

3 Спектры поглощения

3.1 Спектры поглощения переходов —»■ й3Па и а3Е+—> с3£+, и их структура.

3.2 Зависимость спектров поглощения в жидком 3Не и 4Не от давления и температуры.

3.3 Спектры поглощения перехода а3Е+ —> Ь3ПЭ в плотном холодном газе 3Не.

4 Модель структуры молекулярного комплекса

4.1 Интерпретация спектров поглощения перехода а3Е+ —> с3в жидком гелии.

4.2 Интерпретация спектров поглощения перехода а3£„ —» с3£+ в плотном холодном газе 3Не.

4.3 Сравнение модельных представлений о структуре молекулярного комплекса.

4.4 Ширина и форма линий поглощения в жидкости и в разреженном газе.

5 Кинетика образования и распада триплетных молекул Не^

5.1 Кинетика распада триплетных молекул Не2 в жидком гелии в диффузионном приближении.

5.2 Кинетика распада триплетных молекул Не£ в жидком гелии в бесстолкновительном приближении

5.3 Экспериментальные исследования процессов гибели молекул

5.4 Экспериментальное исследование влияния магнитного поля на распад молекул

5.5 Вероятность рождения молекулы при электрон-ионной рекомбинации

Конденсированный гелий представляет собой уникальный объект исследования. Несмотря на простоту атома гелия, конденсированный гелий проявляет удивительное разнообразие возбужденных состояний. Среди различных долго-живущих гелиевых возбуждений наименее изученным объектом являются вы-сокоэнергетичные нейтральные возбуждения. Такие объекты в жидком гелии впервые были экспериментально обнаружены в 1968 г. Сурко и Райфом [1]. В последующих спектроскопических исследованиях [2] эти возбуждения были идентифицированы как возбужденные атомные и молекулярные состояния гелия. Такие состояния эффективно образуются, например, при ионизации гелия пучком высокоэнергетичных частиц. При этом наиболее долгоживущим типом таких возбуждений в достаточно разреженном газе являются атомы гелия в низшем триплетном состоянии 2ЪБ, а в конденсированном гелии -эксимерные молекулы Не^ в состоянии а3Е+.

Метастабильные молекулы ¡¡е^ представляют интерес с нескольких точек зрения. Сравнительно большой размер орбиты валентного электрона приводит к тому, что вокруг молекулы в конденсированном гелии образуется пузырек, аналогичный пузырьку, образуемому свободными электронами и возбужденными атомами гелия. Причина образования такого пузырька - отталкивание валентного электрона от атома гелия в основном состоянии.

Структура пузырьков, образуемых свободными электронами и возбужденными атомами гелия, довольно подробно изучена как теоретически, так и экспериментально [3, 4, 5, 6]. Расчеты, выполненные в рамках пузырьковой модели, дают удовлетворительное описание наблюдаемых спектральных характеристик и динамических свойств данных систем. Подобных расчетов для молекулярного комплекса проделано не было, однако можно предположить, что его структура во многом аналогична структуре атомного комплекса. Наличие пузырька вокруг молекулы приводит к тому, что электронные термы молекулы в жидкости слабо отличаются от вакуумных, что существенно облегчает интерпретацию спектров поглощения и испускания.

Структура молекулярных термов молекулы чрезвычайно богата: помимо электронной структуры (энергии порядка 1эВ), имеются колебательная 0.1 эВ) и вращательная 1мэВ) структуры. Анализ спектроскопических характеристик молекулярного комплекса может дать важную информацию о взаимодействии молекулы с атомами окружающей жидкости и с другими типами гелиевых возбуждений.

Размеры молекулярного пузырька, по-видимому, меньше, чем аналогичного пузырька, образуемого свободным электроном, и слабо зависят от давления, что делает удобным использование молекул в качестве пробных частиц при изучении коллективных свойств жидкого и твердого гелия.

Изучение свойств метастабильных молекул гелия в жидкости интересны и в связи с общей проблемой исследования примесей в конденсированном гелии. Наиболее просто внедрить в гелий примесь изотопа, и свойства таких примесей достаточно хорошо изучены. Успешное развитие метода лазерного испарения вещества в жидком гелии позволило внедрять в гелий значительное количество других примесей. Исследования показали, что спектры поглощения и испускания атомов и молекул щелочных металлов, помещенных в гелий, отличаются от спектров, измеренных в вакууме. Наличие гелиевого окружения сказывается на относительной интенсивности различных линий испускания и поглощения, положении и форме линий, а также на времени жизни различных возбужденных состояний. Спектральные свойства атомов, помещенных в гелий, очевидно, определяются структурой образуемого в жидкости комплекса, который аналогичен комплексу метастабильной молекулы. Вместе с тем, молекула гелия представляет собой существенно более простой объект в плане теоретического исследования, поэтому изучать особенности взаимодействия атомов или молекул с жидким гелием на примере метастабильных молекул Не^ представляется наиболее удобным.

Однако, несмотря на перспективность исследований триплетных молекул, они до сих пор остаются наименее изученным объектом в конденсированном гелии. Предыдущие исследования касались, в основном, кинетики распада триплетных возбуждений и их спектральных характеристик в 4Не.

Теоретические оценки характерного времени спонтанного перехода в основное распадное состояние а3Е+ —> Х1!^ дают величину порядка 10 с [7], в хорошем согласии с экспериментами по наблюдению триплетных молекул в твердом гелии, в которых было установлено, что концентрация молекул после выключения источника спадает экспоненциально с постоянной времени 15 ±1 с [9].

В жидком и в газообразном 4Не время жизни молекул оказывается зависящим от их концентрации, что объясняется их распадом в результате реакции взаимной рекомбинации, протекающей по схеме пеннинговской ионизации. Характерное время жизни молекул в жидкости составляет ~ 1 мс при концентрациях ~ 1013 см-3. Аналогичный процесс ограничивает время жизни триплетных атомов гелия в разреженном газе. Коэффициент рекомбинации молекул в сверхтекучем 4Не был измерен в работе [8] в широком диапазоне температур. Было установлено, что при не очень низких температурах скорость рекомбинации пропорциональна коэффициенту диффузии. Коэффициент рекомбинации молекул в плотном холодном газе 4Не, как было установлено в [10], не зависит от плотности гелия в широких пределах.

Динамические свойства молекул, очевидно, определяются структурой молекулярного комплекса, косвенные данные о которой могут быть получены из спектроскопических исследований. Спектры поглощения молекул, измеренные в сверхтекучем 4Не [30] и в твердом гелии [9] демонстрируют сильную зависимость положения и ширины спектральных линий от давления. В работе [30] на основании сравнения спектров, наблюдавшихся при различных условиях, высказано предположение о том, что сдвиг линии поглощения зависит только от плотности гелия. Такое предположение противоречит концепции пузырька, в которой равновесный радиус комплекса, а, следовательно, и взаимодействие молекулы с окружением, определяющее сдвиг частоты, существенно зависит от давления. Решающим аргументом могли бы быть аналогичные измерения в жидком 3Не, в котором плотности, характерные для жидкого 4Не, достигаются при значительно больших давлениях. Сравнение сдвигов линий поглощения при одинаковых плотностях гелия, но при различных давлениях позволили бы сделать вывод об адекватности модели пузырька, окружающего молекулу гелия в жидкости.

Большой интерес представляет также изучение спектров поглощения молекул в газе гелия при различных плотностях. При увеличении плотности гелия линии поглощения модифицируются от узких и практически несмещенных до линий, характерных для жидкости. При этом можно наблюдать, как происходит локализация молекул в пузырьке при достаточно больших плотностях.

Скорость пеннинговской ионизации существенно зависит от суммарного спина реагирующих молекул [7]. Замедление взаимной рекомбинации эксиме-ров при их поляризации наблюдалось экспериментально в разреженном газе гелия [12]. В работе [7] было высказано предположение о том, что поляризация молекул сильным магнитным полем должна приводить к подавлению реакции рекомбинации и в жидком гелии, причем при полной поляризации концентрация молекул может достигать ~ 1017 см-3 при временах жизни — 1с. Такое долгоживущее спин-поляризованное состояние триплетных молекул представляло бы значительный интерес. Во-первых, большое время жизни позволило бы уменьшить мощность, рассеиваемую при генерации молекул, а также дало бы возможность наблюдать в значительной степени термализованные молекулы. Во-вторых, значительная концентрация молекул дала бы возможность изучать коллективные (например, магнитные) свойства таких молекул.

Однако, до сих пор сколько-нибудь подробного исследования триплетных молекул в жидкости в присутствии магнитного поля предпринято не было.

Целью настоящей работы было исследование триплетных эксимерных молекул Не^ в различных конденсированных фазах гелия (жидкий 3Не и 4Не, плотный холодный газ 3Не). Большое внимание было уделено спектральным характеристикам молекул, отражающим степень взаимодействия молекулы с окружающими атомами гелия с тем, чтобы на основе анализа спектров поглощения определить параметры молекулярного комплекса при различных экспериментальных условиях.

Другой задачей было исследовать процессы, приводящие к гибели молекул, и предложить количественное описание динамических свойств молекул в конденсированном гелии на основе знания структуры молекулярного комплекса. Существенное внимание было уделено изучению зависимости скорости рекомбинации молекул от сильного поляризующего магнитного поля.

Диссертация состоит из пяти глав. В главе 1 изложены сведения о классификации и структуре молекулярных термов и основные результаты предыдущих исследований молекул в конденсированном гелии.

В главе 2 описаны экспериментальная установка, методика генерации молекул и схема измерений.

В главе 3 приведены спектры поглощения, наблюдавшиеся в жидком 3Не и 4Не и плотном холодном газе 3Не.

В главе 4 излагается модель структуры молекулярного комплекса, использовавшаяся для интерпретации наблюдаемых спектральных характеристик, и определяются параметры комплекса в жидком и газообразном гелии.

В главе 5 приведены результаты исследования переходных процессов в поглощении, на основе которых определены значения коэффициента рекомбинации при различных условиях. В этой же главе обсуждается влияние межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса на процессы гибели молекул.

Мы полагаем, что накопленные нами экспериментальные данные и результаты расчетов представляют хорошую базу для дальнейших исследований эксимерных молекул в конденсированном гелии.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [13, 14] и докладывались на международных симпозиумах по квантовым жидкостям и твердым телам С}Р8-97 (Париж, Франция, 1997) и (^-98 (Амхерст, США, 1998), международной конференции по физике низких температур ЬТ-22 (Эс-поо и Хельсинки, Финляндия, 1999) и международном симпозиуме по физике сверхнизких температур (Санкт-Петербург, Россия, 1999).

Основные результаты настоящей диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Создана установка, позволяющая проводить высокочувствительные исследования спектров поглощения ближнего инфракрасного диапазона в жидком и газообразном гелии в широком диапазоне давлений вплоть до давления затвердевания. Реализованная оптическая схема обеспечивает чувствительность к поглощению на уровне 4 • Ю-6.

2. Впервые измерены спектры поглощения молекул, соответствующие переходам а3£+ —> с3Е+ и а3Е+ —> ¿3П3 в жидком 3Не и спектры а3£+ —> в холодном газе 3Не при различных давлениях. Таким образом, впервые была проведена серия спектроскопических исследований с одинаковыми условиями генерации и наблюдения молекул в диапазоне плотностей 1.0 • 1021 ч- 2.0 ■ 1022 см"3.

3. Предложена и обоснована удобная аппроксимация волновой функции валентного электрона молекулы в состояниях а3£+ и с3£+.

4. На основе количественного анализа спектральных характеристик молекул при различных экспериментальных условиях было установлено, что локализация молекулы в пузырьке происходит при плотностях > 1.5 ■ 1022 см-3.

5. В рамках модели пузырька определены размеры комплекса, образуемого молекулой в жидком гелии при различных экспериментальных условиях, что позволило впервые получить количественные данные о коэффициенте диффузии такого комплекса.

6. Установлено, что в конденсированном гелии вероятность образования "вторичной" триплетной молекулы при рекомбинации двух молекул составляет около 20%.

7. Впервые получены количественные данные о коэффициентах Ван-дер-Ваальса следующих парных взаимодействий: Не£ - Не£ (а3Е+), Не^ (а3£+) - Не (^Я), Не^ (с3£+) - Не (115).

8. Впервые выполнен количественный анализ процессов, приводящих к гибели молекул в конденсированном гелии, и обнаружено хорошее согласие со всеми имеющимися экспериментальными данными.

9. Теоретически показано и продемонстрировано экспериментально, что поляризация электронных спинов молекул сильным магнитным полем не приводит к увеличению времени жизни эксимеров в конденсированном гелии.

10. Экспериментально продемонстрирована возможность использования острий в качестве источника положительных и отрицательных ионов с токами до 1нА в гелиевых кристаллах. * *

В заключение пользуюсь возможностью поблагодарить своего научного руководителя А. Я. Паршина за постановку интересной задачи и постоянное внимание; В. Б. Ельцова за плодотворное сотрудничество и полезные дискуссии, С. Н. Джосюка и С. Г. Кафанова, принявших активное участие в подготовке и проведении экспериментов, а также Э. А. Тищенко за предоставленный фотодетектор.

Я признателен Forschunsgzentrum Jülich Gmbh за поддержку в виде Landau Scholarship. Данная работа частично поддерживалась РФФИ, грант 96 02 17572, и INTAS, грант 96-06-10.

Заключение

1. С. М. Surko, F. Reif, Phys. Rev. Lett. 20, 582 (1968).

2. W. S. Dennis, E. Durbin, W. A. Fitzsimmons, O. Heybey, G. K. Walters Phys. Rev. Lett. 19, 1083 (1969).

3. В. Б. Шикин, УФН 121, 457 (1977).

4. И. А. Фомин, Письма в ЖЭТФ 6, 715 (1968).

5. С. В. Переверзев, Диссертация . канд. физ.-мат. наук. — Москва, 1991.

6. А. P. Hickman, W. Steets, and Neal F. Lane, Phys. Rev. В 12, 3705 (1975).

7. А. В. Коновалов, Г. В. Шляпников, ЖЭТФ 100, 521 (1991).

8. J. W. Keto, F. L. Soley, M. Stockton, and W. A. Fitzsimmons, Phys. Rev. A 10, 872 (1974).

9. Д. Б. Копелиович, Диссертация . канд. физ.-мат. наук. — Москва, 1989.

10. D. W. Tokaryk, R. L. Brooks, and J. L. Hunt, Phys. Rev. A 48, 364 (1993).

11. Y. B. Eltsov, S. N. Dzhosyuk, A. Ya. Parshin, and I. A. Todoshchenko, J. Low Temp. Phys. 110, 219 (1998).

12. J. C. Hill, L. L. Hatfield, N. D. Stockwell, G. K. Walters, Phys. Rev. A 5, 189 (1972).

13. В. Б. Ельцов, А. Я. Паршин, И. А. Тодощенко, ЖЭТФ 108, 1657 (1995).

14. V. В. Eltsov, A. Ya. Parshin, I. A. Todoshchenko, S. N. Dzhosyuk, Czech. J. of Phys. 46, N SI, 361 (1996).

15. D. R. Yarkony, J. Ghem. Phys. 90, 7164 (1989).

16. Л. Д. Ландау, И. M. Лифшиц, Квантовая механика. — Москва, Наука, 1989.

17. G. W. Е. Drake, Phys. Rev. А 3, 908 (1971).

18. Н. W. Moos, J. R. Woodworth, Phys. Rev. Lett. 30, 775 (1973).

19. P. Мак-Вини, Б. Сатклиф, Квантовая механика молекул. — Москва, Мир, 1972.

20. S. L. Guberman, W. A. Goddard III, Phys. Rev. A 12, 1203 (1975).

21. M. A. Biondi, Phys. Rev. 82, 453 (1951). M. A. Biondi, Phys. Rev. 88, 660 (1952).

22. A. V. Phelps, L. P. Molnar, Phys. Rev. 89, 1202 (1953). A. V. Phelps, Phys. Rev. 99, 1307 (1955).

23. С. M. Surko, F. Reif, Phys. Rev. 175, 229 (1968).

24. R. P. Mitchell, G. W. Rayfield, Phys. Lett. 37 A, 231 (1971).

25. P. H. Zimmerman, J. F. Reichert, A. J. Dahm, Phys. Rev. В 15, 2630 (1977).

26. J. S. Hill, O. Heybey, G. K. Walters, Phys. Rev. Lett. 26, 1213 (1971).

27. M. Stockton, J. W. Keto, W. A. Fitzsimmons, Phys. Rev. Lett, bf 24, 654 (1970).

28. F. J. Soley, W. A. Fitzsimmons, Phys. Rev. Lett. 32, 988 (1974).

29. A. P. Hickman, N. F. Lane, Phys. Rev. Lett. 26, 1216 (1971).

30. В. Б. Ельцов, Диссертация . канд. физ.-мат. наук. — Москва, 1997.

31. R. Mehrotra, Е. К. Mann, A. J. Dahm, J. of Low Temp. Phys. 36, 47 (1979).

32. A. B. Callear, R. E. M. Hedges, Trans. Faraday Soc. 66, 2921 (1970).

33. C. Kim, S. Yurgenson, C.-C. Hu, and J. A. Northby, J. of Low Temp. Phys. 113, 1097 (1998).

34. D. R. Beck, C. A. Nicoladies, J. I. Musher, Phys. Rev. A 10, 1522 (1974).

35. M. Tinkham and M. W. P. Strandberg, Phys. Rev. 97, 937 (1955).

36. W. Lichten, M. V. McCusker, and T. L. Vierima, J. Ghem. Phys. 61, 2200 (1974).

37. Р. Г. Архипов, А. И. Шальников, ЖЭТФ 37, 1247 (1959).

38. В. Halpern, R. Gomer, J. Chem. Phys. 51, 1031 (1969). В. Halpern, R. Gomer, J. Chem. Phys. 51, 1048 (1969).

39. A. Golov, H. Ishimoto, J. of Low Temp. Phys. 113, 957 (1998).

40. В. К. Ткаченко, А. И. Филимонов, ПТЭ No 5, 203 (1961).

41. B. A. Wallace, H. Meyer, Phys. Rev. A 5, 953 (1972).

42. К.-П. Хьюбер, Г. Герцберг, Константы двухатомных молекул, ч. 1. — Москва, Мир, 1984.

43. J. Callaway and Е. Bauer, Phys. Rev. 140, A1072 (1965).

44. P. W. Anderson, Phys. Rev. 86, 809 (1952).

45. В. C. Garrison, W. H. Miller, J. Chem. Phys. 59, 3193 (1973)

46. M. W. Muller, A. Mertz, M.-W. Ruf, H. Hotop, W. Meyer, and M. Movre,1. Phys. D 21, 89 (1991).

47. R. M. Noyes, in Progress in Reaction Kinetics 1, edited by G. Porter, Pergamon, New York (1961).

48. Ю. С. Бараш, Силы Ван-дер-Ваальса. — Москва, Наука, 1988.

49. J. F. Reichert, N. С. Jarosik, Phys. Rev. В 27, 2710 (1983).

50. И. В. Александров, Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках. — Москва, Наука, 1975.