Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Измерение леггеттовской частоты 3He-B в аэрогеле

Диссертация: Измерение леггеттовской частоты 3He-B в аэрогеле
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Аэрогель представляет собой «мочалку» из нитей 8102. Характерный о о диаметр нитей 30 — 40 А, а расстояние между ними — 500 — 1000 А. Поскольку диаметр нитей меньше длины когерентности сверхтекучего 3Не, аэрогель можно считать однородной примесью. Аэрогель достаточно малой плотности не полностью подавляет сверхтекучесть 3Не, а лишь уменьшает температуру перехода. При этом реализуются две… Читать ещё >

Измерение леггеттовской частоты 3He-B в аэрогеле (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Свойства сверхтекучего 3Не
    • 1. 1. Сверхтекучие фазы
    • 1. 2. 3Не в аэрогеле
    • 1. 3. Текстура параметра порядка в объемном 3Не-В
    • 1. 4. ЯМР в 3Не-В
    • 1. 5. Сверхтекучие спиновые токи и спиновая релаксация
    • 1. 6. Однородно-прецессирующий домен
  • Глава 2. Колебания ОПД (теория)
    • 2. 1. Уравнения Леггетта во вращающейся системе координат
    • 2. 2. Стационарное решение
    • 2. 3. Уравнение для частот малых колебаний
  • Глава 3. Численные эксперименты
    • 3. 1. Постановка эксперимента, образование ОПД
    • 3. 2. Возбуждение колебаний ОПД
    • 3. 3. Частота колебаний
    • 3. 4. Коэффициент затухания колебаний
    • 3. 5. Учет влияния объемного гелия в зазорах
  • Глава 4. Экспериментальная установка
    • 4. 1. Условия эксперимента
    • 4. 2. Криостат
    • 4. 3. Образец аэрогеля
    • 4. 4. Экспериментальные ячейки
    • 4. 5. ЯМР-спектрометр
    • 4. 6. Измерение температуры
  • Глава 5. Результаты эксперимента
    • 5. 1. Колебания ОПД в объемном 3Не
    • 5. 2. Частота и коэффициент затухания колебаний в объемном 3Не
    • 5. 3. Колебания ОПД в аэрогеле

Изотопы гелия 3Не и 4Не — единственные вещества, не затвердевающие вплоть до абсолютного нуля температуры. Атомы 3Не имеют ядерный спин ½ и являются ферми-частицами. При температурах ~ 1 мК в 3Не происходит куперовское спаривание и возникает сверхтекучесть. Куперовское спаривание происходит с единичным спином и единичным орбитальным моментом, из-за чего сверхтекучий 3Не является сложной системой с большим разнообразием свойств. В зависимости от условий, в слабых магнитных полях реализуются две сверхтекучие фазы, называемые Аи В-фазой.

В данной работе рассматривается В-фаза 3Не. Ее параметр порядка имеет вид матрицы поворота. Конкретный вид этой матрицы определяется различными условиями (магнитное поле, стенки ячейки и т. д.). Это приводит к пространственно-неоднородному распределению параметра порядка (текстуре) и сложным законам спиновой динамики ([1]).

Одним из интересных явлений спиновой динамики в В-фазе 3Не является возможность существования однородно прецессирующего домена (ОПД) ([2], [3]). При этом возникает пространственно-однородное устойчивое состояние, в котором намагниченность и параметр порядка прецессируют строго определенным образом. Данная работа посвящена исследованию малых пространственно-однородных колебаний ОПД.

Теория сверхтекучего 3Не хорошо развита и в большинстве случаев находятся в отличном согласии с экспериментом. Это происходит во многом благодаря тому, что 3Не при сверхнизких температурах является практически идеально чистым веществом: растворимость всех прочих веществ в нем ничтожна. Представляет интерес влияние примесей на столь хорошо изученный объект, в частности для объяснения свойств других похожих систем. Единственным известным методом внесения примесей в сверхтекучий 3Не является помещение его в аэрогель ([4], [5]).

Аэрогель представляет собой «мочалку» из нитей 8102. Характерный о о диаметр нитей 30 — 40 А, а расстояние между ними — 500 — 1000 А. Поскольку диаметр нитей меньше длины когерентности сверхтекучего 3Не, аэрогель можно считать однородной примесью. Аэрогель достаточно малой плотности не полностью подавляет сверхтекучесть 3Не, а лишь уменьшает температуру перехода. При этом реализуются две сверхтекучие фазы. До недавнего времени вопрос идентификации этих фаз оставался открытым, однако сейчас уже можно считать доказанным, что они аналогичны Аи В-фазе чистого 3Не.

Интерпретация большинства ЯМР-экспериментов в 3Не в аэрогелс затруднена из-за сложной, меняющейся от образца к образцу текстуры параметра порядка. В частности, к моменту проведения данной работы не были измерены основные параметры сверхтекучего 3Не в аэрогеле, в том числе и леггеттовская частота — важный параметр, характеризующий величину ди-поль-дипольного взаимодействия атомов куперовской пары.

В данной работе был разработан и применен метод определения леггет-товской частоты, хорошо работающий как в чистом 3Не, так и в 3Не в аэрогеле.

Впервые была получена формула для частоты пространственно-однородных колебаний ОПД, возникающих при получении ОПД методом непрерывного ЯМР в присутствии поперечного радиочастотного поля накачки. Измерение частоты этих колебаний позволяет определить леггеттовскую частоту 3Не.

Была произведена серия численных экспериментов, позволивших учесть влияние эффектов магнитной релаксации и пространственной неоднородности на частоту этих колебаний. С помощью численных экспериментов была получена приближенная формула для коэффициента затухания колебаний.

Были проведены эксперименты в объемном 3Не и в 3Не в аэрогеле. Рассматриваемые колебания ОПД были впервые обнаружены экспериментально. Оказалось, что для объемного 3Не их свойства хорошо согласуются с теорией.

Наблюдение колебаний в 3Не в аэрогеле позволило впервые провести измерения леггеттовской частоты. Измерения были проведены в относительно небольшом диапазоне экспериментальных условий, однако они дали возможность количественно интерпретировать особенности текстуры параметра порядка для данного образца аэрогеля. Это позволило впоследствии провести измерения леггеттовской частоты в большом диапазоне температур и давлений по форме линии непрерывного ЯМР.

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах ИФП и следующих конференциях:

• International Symposium on Quantum Fluids and Solids, july 2004, Trento, Italy.

• 24th International Conference on Low Temperature Physics, august 2005, Orlando, FL, USA.

По материалам диссертации опубликовано 3 научные работы ([6], [7], [8]). Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения:

Заключение

.

В данной работе были достигнуты следующие результаты:

• Получена формула для частоты низкочастотной моды пространственнооднородных колебаний ОПД.

• Показано, что измерение частоты этих колебаний может быть использовано для измерения леггеттовской частоты в В-фазе 3Не.

• С помощью численных экспериментов исследовано влияние пространственной неоднородности и магнитной релаксации на частоту и коэффициент затухания этих колебаний.

• Колебания обнаружены экспериментально как в объемном 3Не, так и в 3Не в аэрогеле. Для объемного 3Не, параметры которого известны, свойства колебаний находятся в хорошем количественном согласии с теорией.

• Полученные результаты позволили впервые провести измерения Леггеттовской частоты В-фазы 3Не в аэрогеле.

Однородно прецессирующий домен — удобная система, уже давно используемая в различных экспериментах для изучения свойств сверхтекучего 3Не. С помощью ОПД изучались сверхтекучие спиновые токи ([43], [44], [45]), эффекты магнитной релаксации ([42]), квантовые вихри во вращающемся 3Не ([46], [47]).

Данная работа позволила лучше понять особенности динамики ОПД и использовать их для изучения свойств 3Не в аэрогеле.

После выполнения данной работы изучение динамики ОПД было продолжено другими исследователями. Г. Е. Воловик в теоретической работе [48] провел более подробное рассмотрение частот колебаний ОПД с учетом пространственной неоднородности. Оказалось, что описанные в нашей работе колебания, а также найденные Фоминым крутильные колебания ОПД ([29]), полученные для случая нулевого поля радиочастотной накачки, являются частными случаями одной волновой моды. Экспериментальное изучение колебаний ОПД, обнаруженных в данной работе, было впоследствии продолжено в работе [49].

Для дальнейших исследований может быть интересным более подробное изучение коэффициента затухания колебаний ОПД, как теоретическое, так и экспериментальное. Это может помочь произвести измерения времени релаксации Леггетта-Такаги, данные о котором не слишком полны для объемного 3Не и отсутствуют для 3Не в аэрогеле.

Все исследования, описанные в диссертации, были выполнены в Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН. Я глубоко благодарен своему научному руководителю В. В. Дмитриеву за чуткое руководство и активное участие в работе над диссертацией. Именно благодаря ему существует лаборатория, в которой мне посчастливилось работать и в которой были получены все результаты данной диссертации.

Я также благодарен коллегам, участвовавшим вместе со мной в выполнении этой и других работ: Дмитрию Понарину, Ивану Косареву, Дмитрию Змееву, Льву Левитину. Я благодарен И. А. Фомину за теоретическую поддержку наших экспериментов, полезные обсуждения и советы.

Я благодарю сотрудников гелиевой и механической мастерских, обеспечивающих проведение наших экспериментов. И, наконец, я благодарю всех сотрудников Института за дружескую рабочую атмосферу, в которой очень приятно находиться, за обсуждения, советы и помощь, которые были крайне важны для меня.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Vollhardt D., Wolfle P. The Superfluid Phases of Helium 3. Taylor&Francis, 1990.
  2. Боровик-Романов А. С., Буньков Ю. М., Дмитриев В. В. et al. Разбиение прецессии намагиченности в 3Не-В на два домена. Эксперимент // ЖЭТФ. 1985. Vol. 88. Pp. 2025 -2038.
  3. И. А. Разбиение прецессии намагиченности в 3Не-В на два домена. Теория // ЖЭТФ. 1985. Vol. 88. Pp. 2039−2051.
  4. Porto J. V., Parpia J. M. Superfluid 3He in Aerogel // Phys. Rev. Lett. 1995.-Jun. Vol. 74, no. 23. Pp. 4667−4670.
  5. D. Т., Haard Т. М., Kycia J. B. et al. Homogeneous Equal-Spin Pairing Superfluid State of 3He in Aerogel // Phys. Rev. Lett. 1995. —Jul. Vol. 75, no. 4. Pp. 661−664.
  6. В. В., Завьялов В. В., Змеев Д. Е., Малдерс Н. Измерения леггеттовской частоты в 3Не-В в аэрогеле // Письма в ЖЭТФ. 2004. Vol. 79. Pp. 612−617.
  7. Dmitriev V. V., Mulders N., Zavjalov V. V., Zmeev D. E. NMR Studies of Texture in the В-like Phase of 3He in Aerogel // AIP Conference Proceedings. 2006. Vol. 850. Pp. 225−228. URL: http://www.springer.com/materials/ book/978−0-7354−0347−5.
  8. Osheroff D. D., Richardson R. C., Lee D. M. Evidence for a New Phase of Solid He3 // Phys. Rev. Lett. 1972, —Apr. Vol. 28, no. 14. Pp. 885−888.
  9. Anderson P. W., Morel P. Generalized Bardeen-Cooper-Schrieffer States and the Proposed Low-Temperature Phase of Liquid He3 // Phys. Rev. 1961.— Sep. Vol. 123, no. 6. Pp. 1911−1934.
  10. Balian R., Werthamer N. R. Superconductivity with Pairs in a Relative p Wave // Phys. Rev. 1963. Aug. Vol. 131, no. 4. Pp. 1553−1564.
  11. Barker В. I., Lee Y., Polukhina L. et al. Observation of a Superfluid He-3 AB Phase Transition in Silica Aerogel // Phys. Rev. Lett. 2000. — Sep. Vol. 85, no. 10. Pp. 2148−2151.
  12. В. В., Завьялов В. В., Змеев Д. Е. et al. Сврхтекучие фазы ЗНе в аэрогеле // Успехи физических наук. 2003. Vol. 173, по. 4. Pp. 452−456. URL: http://ufn.ru/ru/articles/2003/4/h/.
  13. Dmitriev V. V., Krasnikhin D. A., Mulders N. et al. Nuclear Spin Relaxation in Glass States of3He-A in Stretched Aerogel // JETP Letters. 2010. Vol. 91, no. 11. Pp. 599−606.
  14. Leggett A. J. A theoretical description of the new phases of liquid 3He // Rev. Mod. Phys. 1975.—Apr. Vol. 47, no. 2. Pp. 331−414.
  15. Д. E. Исследования сверхтекучих фаз 3Не в аэрогеле.
  16. Кандидатская диссертация. Институт физических проблем им. П. Л. Капицы, 2006.
  17. Боровик-Романов А. С., Буньков Ю. М., Дмитриев В. В., Мухарский Ю. М. Пороговые эффекты в импульсном ЯМР в сверхтекучем 3Не-В // Письма в ЖЭТФ. 1983. Vol. 37. Pp. 600−602.
  18. В. Л., Леман А. А., Фомин И. А. Импульсный ЯМР в 3Не-В для нелеггеттовской конфигурации // Письма в ЖЭТФ. 1983. Vol. 38. Pp. 123−125.
  19. Brinkman W., Smith H. Large angle tipping frequency shifts in pulsed NMR for 3He (B) // Physics Letters A. 1975. Vol. 53, no. 1. Pp. 43−44. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/ B6TVM-46SPMlR-XS/2/eb3683326c7c6cdad6515d6919821bd2.
  20. Corruccini L. R., Osheroff D. D. Pulsed NMR experiments in superfluid 3He // Phys. Rev. B. 1978.-Jan. Vol. 17, no. 1. Pp. 126−140.
  21. Leggett A. J., Takagi S. NMR in A-3He and B-3He: The Intrinsic Relaxation Mechanism // Phys. Rev. Lett. 1975. — Jun. Vol. 34, no. 23. Pp. 1424−1427.
  22. И. А. Спиновые волны большой амплитуды и магнитная релаксация в сверхтекучих фазах 3Не // ЖЭТФ. 1980. Vol. 78. Pp. 2392−2410.
  23. Боровик-Ромаиов А. С., Буньков Ю. М., Дмитриев В. В. et al. Особенности непрерывного ЯМР в 3Не-В, обусловленные спиновым сверхтоком // ЖЭТФ. 1989. Vol. 96. Pp. 956−972.
  24. И. А. Низкочастотные колебания прецессирующего магнитного домена в 3Не-В // Письма в ЖЭТФ. 1986. Vol. 43. Pp. 134−136.
  25. Ю. М., Дмитриев В. В., Мухарский Ю. М. Крутильныеколебания домена с однородной прецессией намагниченности в 3Не-В // Письма в ЖЭТФ. 1986. Vol. 43. Pp. 131−134.
  26. Gazo Б., Kupka М., Medeova М., Skyba P. Spin Precession Waves in Superfluid 3He-B // Phys. Rev. Lett. 2003. —Jul. Vol. 91, no. 5. P. 55 301.
  27. И. А. Периодические движения намагниченности в В-фазе гелия-3 // ЖЭТФ. 1983. Vol. 84. Pp. 2109−2120.
  28. Borovik-Romanov A., Bunkov Y., Dmitriev V. et al. Study of the two-domain processing structure in the superfluid 3He-B // Pramana. 1987. Vol. 28. Pp. 590−590. 10.1007/BF03026697. URL: http://dx.doi.org/10.1007/ BF03026697.
  29. Боровик-Романов А. С., Буньков Ю. М., Дмитриев В. В. et al. Криостат ядерного размагничивания и криостат растворения 3Не в 4Не большой хладопроизводительности // ПТЭ. 1985. Vol. 3. Pp. 185−192.
  30. Dmitriev V. V., Kosarev I. V., Ponarin D. V., Scheibel R. Simple Nuclear Demagnetization Stage // Journal of Low Temperature Physics. 1998. Vol. 113. Pp. 945−949. 10.1023/A.T022579628345. URL: http://dx.doi .org/ 10.1023/A:1 022 579 628 345.
  31. D. Т., Haard Т. М., Kycia J. B. et al. Effect of Magnetic Scattering on the 3He Superfluid State in Aerogel // Phys. Rev. Lett. 1996. —Nov. Vol. 77, no. 22. Pp. 4568−4571.
  32. Carless D. C., Hall H. E., Hook J. R. Vibrating wire measurements in liquid 3He II. The superfluid В phase // Journal of Low Temperature Physics. 1983. Vol. 50. Pp. 605−633. 10.1007/BF00683498. URL: http://dx.doi.org/10. 1007/BF00683498.
  33. Webb R. A., Sager R. E., Wheatley J. C. Relaxation of the Wall-Pinned Magnetization Ringing Mode in Superfluid 3He-B // Phys. Rev. Lett. 1975. — Oct. Vol. 35, no. 17. Pp. 1164−1166.
  34. Y. М., Dmitriev V. V., Markelov A. V. et al. Nonhydrodynamic spin transport in superfluid 3He // Phys. Rev. Lett. 1990.—Aug. Vol. 65, no. 7. Pp. 867−870.
  35. Боровик-Романов А. С., Буньков Ю. М., Дмитриев В. В., Мухарский Ю. М. Наблюдение проскальзывания фазы при протекании сверхтекучего спинового тока в 3Не-В // Письма в ЖЭТФ. 1987. Vol. 45. Pp. 98−101.
  36. Borovik-Romanov A. S., Bunkov Y. М., Dmitriev V. V., Mukharsky Y. M. Observation of Phase Slips in Spin Supercurrents in 3He-B // proceedings of 18th International Conference on Low Temperature Physics, Kyoto. Vol. 26, suppl 26−3. 1987. Pp. 175−176.
  37. Borovik-Romanov A. S., Bunkov Y. М., Dmitriev V. V. et al. Investigation of spin supercurrents in 3He-B // Phys. Rev. Lett. 1989. Apr. Vol. 62, no. 14. Pp. 1631−1634.
  38. Kondo Y., Korhonen J. S., Krusius M. et al. Direct observation of the nonax-isymmetric vortex in superfluid В3 // Phys. Rev. Lett. 1991. — Jul. Vol. 67, no. 1. Pp. 81−84.
  39. J. S., Bunkov Y. М., Dmitriev V. V. et al. Homogeneous spin precession in rotating vortex-free He3-B: Measurement of the superfluid density anisotropy // Phys. Rev. B. 1992.— Dec. Vol. 46, no. 21. Pp. 13 983−13 990.
  40. Volovik G. E. Phonons in magnon superfluid and symmetry breaking field // Письма в ЖЭТФ. 2008. Vol. 87. Pp. 736−737.
  41. Clovecko М., Gazo E., Kupka М., Skyba P. New Non-Goldstone Collective Mode of ВЕС of Magnons in Superfluid 3He-B // Phys. Rev. Lett. 2008. — Apr. Vol. 100, no. 15. P. 155 301.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!