ЯМР-исследования мод спиновой прецессии с неравновесной величиной намагниченности в сверхтекучем 3 Не-В тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Введение

1 Экспериментальная установка

1.1 Криостат ядерного размагничивания.

1.2 Экспериментальная ячейка.

1.3 ЯМР спектрометр.

2 Сверхтекучий 3Не—В

2.1 Основные понятия.

2.2 Параметр порядка.

2.3 Спин-орбитальное взаимодействие.

2.4 ЯМР в 3Не-В

2.4.1 Уравнения Леггетта

2.4.2 Релаксационные процессы

2.4.3 Уравнения Бринкмана

2.5 Основные моды прецессии с равновесной намагниченностью.

2.5.1 Моды Бринкмана-Смита и НРБ.

2.5.2 Спин-волновая мода.

3 Состояния с неравновесной намагниченностью

3.1 Прецессия с неравновесной намагниченноситью в 3Не-В

3.2 Формирование состояний с половинной намагниченностью

3.3 Сигналы непрерывного ЯМР состояний с неравновесной намагниченностью.

3.4 Измерение величины намагниченности в состояниях семейств НМ и ЪШ.

4 Дробные ЯМР-гармоники в состояниях НМ

4.1 Движение параметра порядка в состояниях НМ.

Общий вид экспериментальной ячейки Сигнал гармоники

Открытие сверхтекучести 3Не в 1972 г. [1] дало сильный импульс развитию физики низких температур благодаря тому, что новые сверхтекучие фазы продемонстрировали ряд совершенно уникальных свойств. Это обусловлено более сложным, чем в других сверхтекучих системах, параметром порядка, т.к. в 3Не сверхтекучесть связана с куперовским спариванием квазичастиц в состояние с орбитальным моментом пары Ь=1 и полным ядерным спином Э=1. Триплетное спаривание допускает целый ряд возможных построений волновой функции конденсата, и на практике в зависимости от экспериментальных условий наблюдаются три различные сверхтекучие фазы, названные А, Ах и В-фазами. То, что пары описываются единой волновой функцией, позволяет рас

Г'Т\/ГЯГПГ>ТЛ"ИЯГП, ГЧЭРТУу-ТРЪ-^ГТТрПЖ знР Ч/АУХи) -к. ид^и! X Л-Г Л. Ч^Жк^ ДЖЛДА -Ж. -Ж. ХкЧЛЛк. ^^Ч^ V V V АО. Л.Л.Ж.Л. X. ^ ХХЧ/^/УХ^Ч/ Л. V ХХХХ ЧУ вещество. Это делает особенно интересными его магнитные свойства, а ЯМР — одним из основных экспериментальным методом их исследования.

Спектр ЯМР сверхтекучих фаз 3Не существенно разнообразнее спектра 3Невыше температуры перехода. Это усложнение вызвано тем, что на спиновую динамику сверхтекучего 3Не оказывают влияние очень многие факторы. В случае В-фазы (о которой пойдет речь в диссертации) это, прежде всего, взаимодействие многокомпонентного параметра порядка с внешним магнитным полем и нарушенная спин-орбитальная симметрия, которая делает определяюще важной для спиновой динамики сравнительно слабую диполь-дипольную энергию взаимодействия ядерных спинов. Кроме того, на ориентацию орбитальных моментов купе-ровских пар влияют стенки экспериментального сосуда и течение сверхтекучей компоненты относительно нормальной, что также отражается на спектре ЯМР. Вблизи температуры сверхтекучего перехода нельзя пренебрегать и влиянием ферми-жидкостных эффектов, роль которых не сводится к простой перенормировке восприимчивостей. В целом резонансные свойства сверхтекучих фаз 3Не довольно хорошо согласуются с представлениями феноменологической теории спиновой динамики, развитой Леггеттом [10]. Являющиеся ее основным результатом уравнения Леггетта даже в самом простом, пространственно однородном их варианте допускают несколько совершенно разных решений [8]. Это было

ВВЕДЕНИЕ 6 подтверждено ранними экспериментами по ЯМР [6], [7], в которых обнаружилось неплохое согласие с теорией. Тем не менее, в экспериментах, связанных с нелинейным ЯМР, неоднократно наблюдались эффекты, требовавшие дополнительного теоретического анализа.

Ярким примером такой ситуации явилось открытие в 3Не-В аномально устойчивой когерентно прецессирующей двухдоменной структуры — так называемого Однородно Прецессирующего Домена (HPD, Homogeneously Precessing Domain) [2] [3]. Хорошее понимание природы HPD позволило использовать его в качестве удобного инструмента для изучения многих свойств 3Не-В (измерение коэффициента спиновой диффузии и времени релаксации Леггетта-Такаги, изучение структуры кора вихрей во вращающемся 3Не-В, измерение анизотропии плотности сверхтекучей компоненты в магнитном поле) и наблюдать с его помощью ряд интересных эффектов (аналог эффекта Джозефсона и сбросы фазы на без-диссипативном спиновом токе, спиновый аналог вихря во вращающейся сверхтекучей жидкости). Именно когерентность прецессии намагниченности во всем объеме прецессирующего домена (вопреки неоднородности внешнего поля) сделала HPD незаменимым для этих экспериментов.

В случае когерентно прецессирующих состояний второстепенные факторы, обычно сильно маскирующие основные черты эволюции намагниченности в ЯМР-экспериментах (магнитная релаксация, неоднородность статического и радиочастотного полей, ориентирующее влияние стенок ячейки на параметр порядка ) становятся малосущественными либо вовсе перестают влиять на спиновую динамику. Это упрощает интерпретацию экспериментов и делает когерентно прецессирующие состояния особо притягательными объектами исследований. Многие теоретические работы были посвящены отысканию и рассмотрению таких состояний. Немало теоретических результатов было получено на пути аналитического решения уравнений Леггета-Такаги [8], и на пути все более полного учета факторов, влияющих на спиновую динамику [4], и на пути рассмотрения возможности существования состояний с величиной намагниченности, существенно отличной от равновесной [13], [16]. Однако далеко не все эти состояния могут наблюдаться в реальных экспериментальных условиях. Некоторые из них неустойчивы по отношению к пространственной неоднородности магнитного поля и другим возмущающим факторам, а также на пути формирования многих из них лежат серьезные экспериментальные трудности. Поэтому до последнего времени в число экспериментально наблюдавшихся состояний, в которых реализуется чистая когерентная прецессия, полностью соответствующая теоретическому описанию, входили лишь:

• Хорошо известная мода Бринкмана-Смита, наблюдавшаяся в экспериментах по импульсному ЯМР

ВВЕДЕНИЕ 7

• Однородно прецессирующий домен

• Наблюдавшаяся в непосредственной близости от Тс когерентно прецессирующая двухдоменная структура, образующаяся благодаря ферми-жидкостным эффектам [19] (следует, однако, отметить что для существования такой структуры сверхтекучесть 3Не совершенно не существенна [31])

• Наблюдавшийся в самых низких температурах "персистирующий сигнал индукции", который, согласно современным представлениям, возникает в негидродинамическом пределе из спиновой волны в потенциале, образованном текстурой Ь [20]. Когерентность прецессии достигается благодаря тому, что вызванное неоднородностью внешнего поля изменение частоты компенсируется дипольным сдвигом частоты прецессии, связанным с текстурой параметра порядка (см. гл.2 §2.5.2).

На таком фоне обнаружение в экспериментах по нелинейному непрерывному ЯМР вблизи Тс, проведенных при участии автора диссертации, сразу двух принципиально новых семейств состояний спиновой прецессии заметно обогатило общую картину. Эти семейства объединяет то, что прецессирующая намагниченность в них имеет величину, существенно отличную от равновесной, чего никогда прежде в 3Не не наблюдалось. Одно из этих семейств, включающее 7 состояний, соответствует предсказанному в [13] случаю прецессии с намагниченностью М = \М0 (М0 = ХН - равновесная намагниченность). Такие состояния в литературе называли метастабильными, поскольку в них дипольная энергия взаимодействия ядерных спинов находится в неглубоком локальном минимуме (более точная формулировка этого утверждения будет дана в гл.З). Наши же эксперименты показали, что, будучи сформированы и стабилизированы радиочастотным полем, компенсирующим релаксационные потери, 6 из 7 состояний этого семейства могут существовать неограниченно долго (при неизменной температуре и других параметрах). Второе семейство сводится к состоянию с величиной намагниченности, меняющейся от ~ 0.3М0 до менее чем 0.02Мо в зависимости от экспериментальных условий (сдвига частоты и температуры) и не имеющему четкого теоретического описания. Далее основное внимание будет уделено состояниям семейства М — |М0. Нами проведена идентификация всех состояний путем прямого измерения величины намагниченности в них, а также путем сопоставления с результатами компьютерных симуляций. Дополнительным подтверждением правильности идентификации состояний семейства М = |М0 явилось наблюдение в двух таких состояниях совершенно необычного эффекта - появления в сигнале ЯМР дробных гармоник на частотах 1/2 и 3/2 от частоты прецессии намагниченности.

ВВЕДЕНИЕ 8

Наиболее существенным отличием вновь обнаруженных семейств состояний от всех ранее наблюдавшихся мод прецессии является то, что намагниченность и параметр порядка в них прецессируют на разных частотах: так, в состояниях семейства М = |М0 намагниченность пре-цессирует на частоте радиочастотного поля (в непрерывном ЯМР), а параметр порядка прецессирует вокруг мгновенного направления намагниченности с частотой вдвое меньшей. Указанный выше эффект появления малых осцилляций намагниченности на частотах 1/2иЗ/2от ларморов-ской является наблюдаемым проявлением этой особенности. Эта же особенность делает возможным само существование семейства М = |М0, поскольку условие = |/м (/^ и /м - частоты движения параметра порядка и намагниченности соответственно) определяет новый своеобразный "резонансный" случай, в котором дипольная энергия достигает локального минимума (все ранее известные моды относились к основному резонансному случаю, когда = /м - "резонанс").

Хотя нами проведены исследования состояний прецессии с неравновесной величиной намагниченности только в узком температурном диапазоне около Тс, надо отметить, что близость к Тс необходима только для образования этих состояний в непрерывном ЯМР. Будучи сформированы, они могут быть охлаждены (в присутствии РЧ-поля, достаточного для компенсации растущих с понижением температуры релаксационных потерь) до значительно более низких температур [15]. При температурах существенно ниже Тс состояния семейства М = | М0 должны демонстрировать свойства спиновой сверхтекучести, подобные НРБ. Это, а также неординарный характер движения параметра порядка во вновь обнаруженных состояниях и отличная от большинства ранее наблюдавшихся мод ориентация вектора плотности орбитального момента купе-ровских пар Ь могут сделать эти состояния полезным средством исследования необъясненных пока черт спиновой динамики 3Не-В.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

62

НМ не был осуществлен нами в описанном выше виде из-за технических ограничений, налагаемых конструкцией нашей установки (невозможность понижения температуры без изменения поля в районе ячейки). Тем не менее попытки выполнения подобного эксперимента (более сложным и трудоемким способом) нами осуществлялись. Систематических результатов получено не было (из-за сложности методики), но следует отметить, что после разрушения состояний НМ в температурах ниже ~0.8 Тс в экспериментальной ячейке всегда наблюдалась текстура параметра порядка, отличная от обычной flare-out текстуры (см. рис.2.5). Это показывает, что ориентация вектора орбитального момента L в состояниях НМ отлична от традиционной ориентации L || Н. Подчеркнем, что разрушение состояний НМ в низких температурах связано было с недостаточностью величины поддерживающего их РЧ-поля (см. §3.3) и не опровергает утверждения о их растущей стабильности в низких температурах (экспериментальные подтверждения этого сообщены в работе [15]).

Также отличие спин-орбитальной конфигурации обнаруженных нами состояний от всех мод, изучавшихся ранее, и нетрадиционный характер движения параметра порядка в них (когда осциллирует не только вектор п, ной угол 9 в параметризации 2.7) могут сделать эти состояния полезным инструментом для проверки гипотез относительно природы не объясненных пока явлений в спиновой динамике 3Не-В (в частности, одного из предполагаемых объяснений явления " катастрофической релаксации" [42]).

БЛАГОДАРНОСТИ

Я глубоко признателен моему научному руководителю В.В. Дмитриеву за повседневное внимание, всемерную помощь и конструктивную критику на протяжении всей моей деятельности в ИФП. Также я благодарен И.В. Косареву, в соавторстве с которым выполнены все работы, за его существенный вклад на всех стадиях исследований.

Многочисленные обсуждения с И.А. Фоминым и Г.Е. Воловиком существенно способствовали углублению моего понимания физики сверхтекучего 3Не, за что я им приношу искреннюю благодарность.

Широкое использование компьютера стало неотъемлемой чертой современной экспериментальной физики, и я сердечно благодарю Е.Р. По-доляка за большую помощь в освоении этой области и за постоянную готовность решить все возникающие проблемы.

Я выражаю глубокую благодарность всем сотрудникам Института, способствовавшим выполнению данной работы, в особенности сотрудникам гелиевой и механической мастерских.

1. Osheroff D.D., Richardson R.C., Lee D.M., Phys. Rev. Lett., 28, 885 (1972);

2. Osheroff D.D., Gully J.W., Richardson R.C., Lee D.M., Phys. Rev. Lett., 29, 920 (1972)

3. Боровик-Романов А.С., Буньков Ю.М., Дмитриев В.В., Мухар-ский Ю.М., Флахбарт К., ЖЭТФ, 88, 2025 (1985)3 4 [5 [6Г8. 9]ю;п 1213 14

4. Фомин И.А., ЖЭТФ, 88, 2039 (1985)

5. Volovik G.E., J.Phys.: Condens. Matter, 5, 1759 (1993)

6. Brinkman W.F., Smith H., Phys. Lett., 53A, 43 (1975)

7. Osheroff D.D., in Low Temp. Phys. LT14, ed. M. Krusius and M. Vuo-rio, North-Holland, Amsterdam and American Elsevier, New York, v.l, p.100, 1975

8. Webb R.A., Kleinberg R.L., Wheatly J.C., Phys. Rev. Lett., 33, 145 (1974)

9. Фомин И.А., ЖЭТФ, 84, 2109 (1983)

10. Vollhrdt D., Wolfle P., The Superfluid Phases of Helium Three, Tailor к Francis, 19901.ggett A.J., Rev. Mod. Phys., 47, 331 (1975)1.ggett A.J., Takagi S., Ann. Phys., 106, 79 (1977)

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

12. Kharadze G., Vachnadze G., Письма в ЖЭТФ, 56, 474 (1992)

13. Dmitriev V.V., Kosarev I.V., Krusius M., Ponarin D.V., Ruutu V.M.H., and Volovik G.E., Phys. Rev. Lett., 78, 86 (1997)1. ЛИТЕРАТУРА64

14. Eltsov V.B., Dmitriev V.V., Krusius M., Ruohio J.J., and Volovik G.E., JLTP, 113, 645 (1998)

15. Сонин Э.Б. ЖЭТФ, 94, 100 (1988)

16. Буньков Ю.М., Дмитриев В.В., Мухарский Ю.М., Твалашвили Г.К., ПТЭ, 3, 185 (1985)

17. Мухарский Ю.М., Дисс. канд. физ. мат. наук, ИФП АН СССР, 1985, Москва

18. Dmitiev V.V., Czechoslovak J. Phys., 46, S6, 3011 (1996)

19. Bunkov Yu.M., Czechoslovak J. Phys., 46, SI, 231 (1996)

20. Kyynarainen J.M., Pekola J.P., Torizuka K., Manninen A.J., and Babkin А.В., J. Low Temp. Phys., 82, 325 (1991)

21. Боровик-Романов А.С., Буньков Ю.М., Дмитриев В.В., Мухарский Ю.М., Письма в ЖЭТФ, 37, 600 (1983)

22. Голо В.Л., Леман А.А., Фомин И.А., Письма в ЖЭТФ, 38, 123 (1983)

23. Lounasmaa O.V., "Experimental Principles and Methods Below IK", Academic Press, London and New York, 1974

24. Pobell F., "Matter and Methods fn Low TemperaturesSpringer, Berlin and Heidelberg, 1992

25. Dmitriev V.V., Kosarev I.V., Ponarin D.V., and Scheibel R., J. Low Temp. Phys., 113, 945 (1998)

26. Schwark M., Pobell F., Halperin W.P., Buchal Ch., Hanssen J., Kubota M., fnd Mueller R.M., J. Low Temp. Phys., 53, 685 (1983)

27. Вачнадзе Г.Е., Сурамлишвили Н.Г., ФИТ, 22, 247 (1996)

28. Дмитриев В.В., Косарев И.В., Понарин Д.В., Письма в ЖЭТФ, 69, 200 (1999)

29. Дмитриев В.В., Фомин И.А., Письма в ЖЭТФ, 59, (1994)

30. Махлин Ю.Г., Минеев В.П., ЖЭТФ, 109, 441 (1996)

31. Brinkman W.F. and Cross М.С., in Progress in Low Temperature Physics, ed. D.F. Brewer, North Holland Publ. Co., Vol. VIIA, p.105, 1978