А-подобная фаза 3He в анизотропном аэрогеле

Открытие сверхтекучести 3Не в 1972 г [1], [2] дало серьезный импульс развитию физики низких температур и физики конденсированного сос.

•2 тояния. Сверхтекучесть Не связана с куперовским спариванием с орбитальным моментом L = 1 и полным ядерным спином 5 = 1. Такое спаривание, называемое триплетным, приводит к большому разнообразию физических свойств и допускает большое количество вариантов построения волновой функции системы.

•5.

На эксперименте в чистом Не наблюдаются только три различные сверхтекучие фазы. В слабых магнитных полях реализуются, А фаза и В фаза, а в сильных магнитных полях в ним добавляется еще и Ai фаза. Свойства чистого 3Не хорошо изучены, а теория отлично согласуется с экспериментом. Очевидный интерес представляет изучение влияния примесей на столь сложный тип сверхтекучести. Однако при сверхнизких температурах 3Не является почти идеально чистым веществом. Смесь 3Не и 4Не при сверхнизких температурах расслаивается на две фазы, причем в фазе, богатой гелием-3, практически не содержится 4Не. Прочие вещества при таких температурах вымерзают на стенках экспериментальной ячейки. По этой причине единственный способ внести примеси — это поместить внутрь 3Не жесткий каркас из достаточно тонких нитей. Характерная толщина этих нитей должна быть меньше, чем длина когерентности куперовской пары (несколько сотен ангстрем). В противном случае каркас будет играть роль множества стенок, а не однородных примесей для сверхтекучего Не. В качестве такого каркаса стали использовать аэрогель из оксида кремния (silica aerogel) высокой пористости. Аэрогель представляет из себя «мочалку» из нитей Si02. Характерный диаметр нитей — 30 — 50 А, а расстояние между ними — 500- 1000 А. Вскоре было установлено, что аэрогель достаточно малой плотности (или, что-то же самое, высокой пористости) не полностью подавляет сверхтекучесть 3Не, а лишь уменьшает температуру сверхтекучего перехода [3], [4]. При этом так же, как и в объёмном о.

Не, в слабых магнитных полях реализуются две сверхтекучие фазы. Фазовая диаграмма сверхтекучего 3Не в аэрогеле качественно схожа с фазовой диаграммой чистого 3Не, поэтому сверхтекучие фазы в 3Не в аэрогеле по аналогии были названы А-подобной и В-подобной фазой. Установлено, что низкотемпературная В-подобная фаза имеет параметр порядка, близкий к параметру порядка объемной В фазы [5], [6]. Что касается другой фазы, высокотемпературной или А-подобной, то до недавнего времени вопрос о её структуре оставался открытым. Экспериментально было показано, что при достаточно сильном одноосном сжатии аэрогеля реализуется параметр порядка, аналогичный параметру порядка объемной, А фазы [7]. Однако в А-подобной фазе в недеформированных или слабодеформирован-ных образцах наблюдались свойства, не соответствовавшие свойствам, А фазы (см., например [8], [9], [10], [11]). При этом в разных образцах свойства различались. Так, в экспериментах по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) при одних и тех же условиях наблюдались разные величины сдвига частоты ЯМР, разные знаки сдвига частоты ЯМР и разные зависимости частоты ЯМР от угла отклонения намагниченности. Для объяснения этого многообразия свойств Г. Е. Воловик выдвинул теорию [12], [13], в которой предположил, что в А-подобной фазе реализуется фаза с параметром порядка объемной, А фазы, но в разупорядоченном состоянии «орбитального стекла».

Данная диссертационная работа посвящена систематическим исследования ЯМР свойств А-подобной фазы в слабоанизотропных кремниевых аэрогелях. Целью данных исследований являлась проверка теории Г. Е. Воловика, т. е. установление параметра порядка этой фазы и её пространственной структуры, а также интерпретация ранее полученных результатов в аналогичных аэрогелях.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Заключение

.

Диссертационная работа содержит следующие основные результаты:

• Экспериментально показано, что в слабоанизотропном аэрогеле в Л.

А-подобной фазе сверхтекучего Не реализуется АВМ фаза в состоянии Ларкина-Имри-Ма.

• Измерена зависимость леггеттовской частоты от температуры для А-подобной фазы в аэрогеле пористостью 98,2%.

• Доказано существование двух спиновых состоянии в А-подобной фазе, одно из которых — нематическое (вектора параметра порядка d направлены одинаково во всём образце), другое — стекольное (вектора параметра порядка d направлены по-разному в разных частях образца).

• Измерена скорость продольной релаксации намагниченности в А-подобной фазе для разных температур, спиновых состояний и направлений постоянного магнитного поля.

• Объяснено поведение А-подобной фазы в предыдущих работах, используя модель «АВМ фаза в состоянии Ларкина-Имри-Ма» для одноосно анизотропного аэрогеля [8], [9], [11], [30] и для двухосно анизотропного аэрогеля [8], [9], [10].

Однако несмотря на то, что в результате данной работы удалось объяснить многие явления в А-подобной фазе, остается еще много невыясненных вопросов.

Во-первых, пока не установлена как в теории, так и на эксперименте количественная связь деформации аэрогеля с анизотропией распределения вектора / .

Во-вторых, на эксперименте еще не наблюдался предсказанный теорией переход из OF состояния в OG состояние.

В-третьих, интересно изучить влияние сильноанизотропного или «упорядоченного» аэрогеля на А-подобную фазу [37]. У такого типа аэрогеля нити направлены преимущественно в одном направлении и его можно рассматривать как бесконечно растянутый «обычный» аэрогель. В таком случае в «упорядоченном» аэрогеле, возможно, будут наблюдаться двумерное состояние Ларкина-Имри-Ма или полярная фаза [38]. Эксперименты в этом направлении уже начаты [39].

В-четвертых, недавно опубликованы результаты экспериментов [40], [41], которые не удается объяснить с помощью модели «АВМ фаза в состоянии Ларкина-Имри-Ма». При изготовлении образцов аэрогеля для этих измерений прилагались специальные усилия, чтобы получить максимально однородные образцы. Возможно, что длина Ларкина-Имри-Ма в этих образцах больше дипольной длины, что привело к формированию нескольких доменов. Второе существенное различие состоит в том, что в вышеупомянутых экспериментах аэрогель не покрывался 4Не, чтобы избежать возможных деформаций аэрогеля за счет поверхностного натяжения адсорбированного 4Не. Это значит, что нити были покрыты адсорбированным 3Не, т. е. магнитным веществом. Не исключено, что магнитные примеси могут влиять на ориентацию или даже структуру параметра порядка не так, как влияют немагнитные примеси. В любом случае, мы полагаем, что, требуется проведение дополнительных экспериментов с образцами из работ [40], [41]. Полезно было бы провести измерения в этом типе аэрогеля в зависимости от направления магнитного поля и с покрытием нитей аэрогеля 4Не.

Все исследования, описанные в диссертации, были выполнены в Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН. Я очень благодарен своему научному руководителю Владимиру Владимировичу Дмитриеву за неоценимую помощь и поддержку в написании данной работы.

Благодарю всех студентов, аспирантов и научных сотрудников, с кем мне довелось работать в лаборатории (Дмитрий Змеев, Алексей Юдин, Андрей Сенин, Егор Ефименко). С их помощью я многому научился.

Хотелось бы выразить благодарность сотрудникам гелиевой и механической мастерских. Без их работы не могли бы состояться исследования, лежащие в основе диссертации.

И, наконец, большое спасибо всем сотрудникам ИФП им. П. Л. Капицы за атмосферу доброжелательности, которая царит в институте.