Динаміка квазічастинкових підсистем з різними енергетичними спектрами в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах - Автореферат

Так, наприклад, формування фононних «листів» і генерація високоенергетичних h-фононів пучком низькоенергетичних l-фононів є незвичайними фізичними явищами, що виникають як наслідок фононної анізотропії в надплинному 4He. А саме: (1) як відбувається просторова еволюція анізотропного фононного імпульсу в процесі його розповсюдження; (2) яким чином можливо детектувати високоенергетичні h-фонони окремо від низькоенергетичних l-фононів; (3) що відбуватиметься у разі зіткнення декількох незалежних фононних імпульсів і (4) яка при цьому роль зовнішніх чинників, наприклад підвищеного тиску; (5) яка роль псевдощілинної аномалії у формуванні надпровідного стану, тобто чи є ПЩ «передвісником» надпровідності або навпаки сприяє її пригніченню? Сукупність вищезазначених проблем свідчить про важливість і актуальність проведення комплексних експериментальних досліджень процесів еволюції систем з різними спектрами квазічастинкових збуджень в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах, зокрема в умовах надплинності і надпровідності, а також впливу екстремальних зовнішніх дій, що складає зміст даної роботи. Дослідження, які склали зміст дисертаційної роботи, проведені у відповідності з тематиками Міністерства Освіти та ДФФД України за темами: «Вплив дефіциту кисню на пригнічення параметра порядку на двійниках» - № державної реєстрації 0304U0041/91; «Квантова теорія систем багатьох частинок» - № державної реєстрації 0103U004/96; «Комплексні фізичні дослідження природи надпровідного стану в шаруватих системах з різним спектром квазічастинкових збуджень» - № державної реєстрації 0104U0092/96; «Теорія багаточастинкових систем ферміонів і бозонів» - № державної реєстрації 0106U003/130. 4. створити методику дослідження процесів взаємодії декількох незалежних фононних імпульсів при їх зіткненні в надплинному 4Не, а також визначити кутовий діапазон існування «гарячої лінії» і встановити роль 3рр і 4рр процесів розсіювання і підвищеного тиску в процесі її еволюції;Приведено описання методу роздільного детектування високо-і низькоенергетичних фононів в Не-II, пристрою низькотемпературних осередків для вивчення кутового розподілу енергії в анізотропних фононних листах, а також експериментального методу вивчення процесів зіткнення таких листів і дослідження еволюції «гарячої лінії» при наднизьких температурах. Перераховані експериментальні роботи, в яких було зареєстровано це незвичайне фізичне явище [1], і приведене його коротке теоретичне обгрунтування [2], а також описана послідовність трансформації l-фононів в h-фонони для випадків декількох різних довжин імпульсів. У другому підрозділі цього розділу представлені оригінальні експериментальні результати серії вимірювань кутових розподілів енергії пучка l-фононів, що генерується нагрівачем при різних потужностях і довжинах імпульсів. Висунуто припущення про те, що плоский верх кутового розподілу утворюється унаслідок генерації високоенергетичних h-фононів [2], які залишають центральний регіон l-фононного листа при однаковій температурі Т » 0.7 К. Гаряча лінія збирає енергію від тих частин листів, які в протилежному випадку не потрапляють на болометр, що приводить до значного посилення h - і l - фононних сигналів, у порівнянні з сумарним сигналом від двох фононних листів, що розповсюджуються роздільно (рис.У дисертаційній роботі отримані важливі наукові результати, які в сукупності вирішують поставлену проблему щодо встановлення закономірностей флуктуаційного формування, часової і просторової еволюції підсистем заряджених і незаряджених бозонів в умовах структурної і кінематичної анізотропії в надплинному 4Не і ВТНП-сполуках системи 1-2-3. При температурах Т 0.9 К зростання загальної енергії h-фононів в основному визначається збільшенням величини тілесного кута, який займають фонони в імпульсному просторі. При вивченні процесів взаємодії фононних листів у випадку їх зіткнення в надплинному 4Не: - вперше експериментально зареєстровано унікальний ефект генерації «гарячої лінії» при зіткненні двох анізотропних листів в рідкому 4Не, в процесі їх розповсюдження при наднизьких температурах; Гаряча лінія безперервно підживлюється енергією від ареалів листів, що скорочуються, і витрачає енергію на генерацію h - фононів, при цьому знаходячись в динамічній рівновазі при фактично постійній температурі на всьому шляху її поширення. Гаряча лінія збирає енергію від тих частин листів, які в протилежному випадку не потрапляють на болометр, що приводить до значного посилення h - і l - фононних сигналів, у порівнянні з сумарним сигналом від двох фононних листів, які розповсюджуються роздільно.

Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі отримані важливі наукові результати, які в сукупності вирішують поставлену проблему щодо встановлення закономірностей флуктуаційного формування, часової і просторової еволюції підсистем заряджених і незаряджених бозонів в умовах структурної і кінематичної анізотропії в надплинному 4Не і ВТНП-сполуках системи 1-2-3. При виконанні поставлених експериментальних задач була розроблена і створена необхідна експериментальна база, що містить ряд оригінальних пристроїв і принципово нових експериментальних методик. Таким чином, розвинуто наукові основи нового напрямку фізики низьких температур - динаміка підсистем квазічастинкових збуджень в умовах структурної і кінематичної анізотропії.

Найважливішими з одержаних результатів є наступні.

При дослідженнях часової і просторової еволюції анізотропних фононних систем в надплинному 4Не: - вперше зареєстрована незвичайна форма кутового розподілу l-фононів в пучку з плоским верхом в деякому діапазоні кутів поблизу нуля. Встановлено, що температура фононного листа в процесі його розповсюдження залишається постійною над його центральним регіоном, що є показником генерації високоенергетичних h-фононів в його центральній ділянці;

- вперше розроблено і застосовано експериментальний метод, який дозволив пригнічувати l-фононний внесок в сигнал, що поступає на болометр і детектувати h-фононний сигнал, практично вільний від l-фононної складової;

- встановлено, що інтегральний h-фононний сигнал, пропорційний загальній енергії h-фононної підсистеми, є універсальною функцією енергії імпульсу;

- експериментально показано, що високоенергетичні h-фонони безперервно генеруються впродовж всієї траєкторії розповсюдження низькоенергетичного l-фононного імпульсу в рідкому 4He. З урахуванням дисперсії швидкостей високоенергетичних фононів, сигнал, що приходить на болометр в кожен момент часу, визначається їх енергетичним діапазоном;

- порівняння експериментальних даних з аналітичними передбаченнями теорії Адаменко - Віатта дозволило встановити, що початкова температура l - фононного пучка, яка накладає обмеження на можливість генерації таким пучком високоенергетичних h-фононів варіюється в інтервалі від 0.75 К до ? 0.9 К. При температурах Т 0.9 К зростання загальної енергії h-фононів в основному визначається збільшенням величини тілесного кута, який займають фонони в імпульсному просторі.

При вивченні процесів взаємодії фононних листів у випадку їх зіткнення в надплинному 4Не: - вперше експериментально зареєстровано унікальний ефект генерації «гарячої лінії» при зіткненні двох анізотропних листів в рідкому 4Не, в процесі їх розповсюдження при наднизьких температурах;

- встановлено, що l - фононні листи, що розповсюджуються в надплинному гелії, інтенсивно взаємодіють, коли кут між ними малий і не взаємодіють при великих кутах. У першому випадку взаємодія між листами сильна і приводить до утворення гарячої лінії в рідкому гелії. Ця лінія рухається зі швидкістю с = 238 м/с вздовж бісектриси між нормалями до двох листів. Гаряча лінія безперервно підживлюється енергією від ареалів листів, що скорочуються, і витрачає енергію на генерацію h - фононів, при цьому знаходячись в динамічній рівновазі при фактично постійній температурі на всьому шляху її поширення. Гаряча лінія збирає енергію від тих частин листів, які в протилежному випадку не потрапляють на болометр, що приводить до значного посилення h - і l - фононних сигналів, у порівнянні з сумарним сигналом від двох фононних листів, які розповсюджуються роздільно. Вищеописані ефекти зявилися першими прямими доказами того, що структура фононних листів визначається сильною взаємодією низькоенергетичних фононів, що займають вузький конус в імпульсному просторі;

- показано, що затримка кривої відгуку на детекторі характеризує енергетичний профіль гарячої лінії з відносно малим розширенням, що визначається кінцевим розміром чутливої плями болометра. Крива відгуку як функція затримки, має форму подібну лоренціану, яка майже не залежить від кута між двома фононними листами. При цьому напівширина гарячої лінії в просторі варіюється як 1/sin (?/2);

- встановлено, що тілесний кут, який займають фонони гарячої лінії в імпульсному просторі ?hl збільшується, а її температура Thl зменшується з кутом ? і потужністю нагрівача. Густина енергії гарячої лінії пропорційна ?HLТHL4 і збільшується з кутом ? і потужністю нагрівача;

-із значень кутів для піка l - фононного сигналу було оцінено переважаючий кут 3рр - розсіювання, який складає близько 10o і дещо варіюється з потужність нагрівача, що узгоджується з розрахунками теорії Адаменко-Віатта;

- встановлено, що при тиску Р ? 18 бар в надплинному 4Не час взаємодії фононних імпульсів менший часу релаксації фононів і фонони різних імпульсів не встигають провзаємодіяти в області їх перетину. При цьому гаряча лінія не утворюється і еволюція в часі і просторі кожного з них відбувається незалежно. В цьому випадку амплітуда сигналу на болометрі від двох одночасно інжектованних імпульсів дорівнює сумі амплітуд сигналів від цих двох нагрівачів, на які імпульси струму подаються в різні моменти часу. При тиску Р < 18 бар час взаємодії імпульсів в обємі їх перетину більший за час релаксації фононів, таким чином фонони різних імпульсів встигають провзаємодіяти один з одним і створити у області перетину імпульсів гарячу лінію, яка перпендикулярна площині болометра. В цьому випадку енергія імпульсів, що розширюються, не йде на нескінченність, а накопичується в області гарячої лінії і рухається уздовж вісі симетрії до болометра. У результаті амплітуда l-фононного сигналу завжди виявляється більшою суми амплітуд сигналів при незалежному русі кожного імпульсу до болометра.

Встановлені наступні закономірності впливу допантів і структурних дефектів на процеси флуктуаційного формування підсистем заряджених бозонів і еволюцію псевдощилинної аномалії в монокристалах ВТНП-сполук системи 1-2-3: - наявність в монокристалах YBA2Cu3O7-? двійникових меж сприяє посиленню процесів розпаровування флуктуаційних носіїв, тим самим, зміщуючи точку 2D-3D кросовера. Зниження вмісту кисню приводить до значного звуження інтервалу лінійної залежності ?ab(Т), розширенню області реалізації надлишкової провідності і збільшенню довжини когерентності вздовж вісі с хс(0) більше ніж удвічі;

- надлишкова провідність Ds(Т) монокристалів YBA2Cu3O7-?, YBA2Cu3-YALYO7-? і Y1-ZPRZBA2Cu3O7-d в широкому інтервалі температур Tf < Т < T* підкоряється експоненціальній температурній залежності. Допування монокристалів YBACUO малими домішками алюмінію і празеодима до 5% приводить до якісно різної зміни ходу температурних залежностей ?ab(Т). В той час як слабке (до z ? 0.05) допування празеодимом монокристалів YBACUO сприяє значному звуженню температурного інтервалу реалізації псевдощілинного стану в ab-площині, внесення добавки алюмінію при такій же концентрації приводить до зворотного ефекту розширення області існування ПЩ-режиму, тим самим звужуючи лінійну ділянку залежності ?ab(Т);

- в процесі відпалювання при кімнатних температурах протягом 4 діб відбувається відносне розширення області існування ПЩ. При цьому абсолютне значення величини псевдощілини ?* зменшується приблизно на 10%.

При вивченні анізотропії провідності, ефектів локалізації і впливу високого тиску на транспортні властивості монокристалів REBA2Cu3O7-? (Re=Y, Но) з різним дефіцитом кисню встановлено, що: - зниження ступеня допування киснем монокристалів REBA2Cu3O7-? (Re = Y, Но) приводить до нерівномірного розподілу кисню в обємі кристала і утворення фаз з різними критичними температурами;

- у напрямку ab-площини зниження вмісту кисню приводить до значного звуження інтервалу лінійної залежності ?ab(Т) і розширення області реалізації псевдощілинного режиму. При цьому абсолютні значення величин енергетичних щілин вздовж і поперек базисної площини змінюються з різними знаками похідних при варіюванні вмісту кисню. У міру зростання ?с величина псевдощілини ?*ab зменшується і навпаки, що свідчить про пригнічення ПЩ-режиму при одночасному посиленні локалізаційних ефектів;

- на відміну від сполуки YBA2Cu3O7-?, для випадку НОВА2Cu3O7-? температурна залежність анізотропії електроопору rc/rab(Т), добре описується за допомогою універсального «закону 1/2» для термоактівационної стрибкової провідності;

- на відміну від зразків стехіометричного складу, докладання високого тиску до зразків з дефіцитом кисню приводить до істотного зменшення довжини когерентності перпендикулярно ab-площини хс(0);

- встановлено, що індукований високим гідростатичним тиском перерозподіл лабільного кисню приводить до зміщення температурного інтервалу існування тривимірних надпровідних флуктуацій;

- у зразках з високим ступенем відхилення від стехіометрії перерозподіл кисню після докладання-знімання високого гідростатичного тиску приводить до зміни величини енергії активації перенесення заряду і дифузійного переміщення лабільної компоненти з фази з меншою критичною температурою до високотемпературної фази.

1. Wyatt A.F.G., Lockerbie N.A., Sherlock R.A. Propagating Phonons in Liquid 4He // J. Phys. Condens. Matter. -1989. - V.I. - P.3507-3522.

2. Adamenko I.N., Nemchenko K.E., Zhukov A.V., Tucker M.A.H., Wyatt A.F.G. Creation of High Energy Phonons from Low Energy Phonons in Liquid Helium // Phys. Rev. Lett. -1999. - V.82. - P.1482-1497.

3. Adamenko I.N., Kitsenko Yu.A., Nemchenko K.E., Slipko V.A., Wyatt A.F.G. Quasiequilibrium Distribution Functionof Anisotropic Phonon Systems and the Interaction of Pulses of Low Energy Phonons in Superfluid Helium // Phys. Rev. B. -2005. - V.72. - P.054507.

4. Асламазов Л.Г., Ларкин А.И. Влияние флуктуаций на свойства сверхпроводников при температурах выше критической // ФТТ. -1968. - Т.10, №4. - С. 1104-1111.

5. Lawrence W.E., Doniach S. Theory of layer structure suprconductors // Proceedings of the 12th International Conference on Low Temperature Physics, Kyoto, Japan. -1970. Edited by E. Kanda (Keigaku, Tokyo, 1970). - Р.361.

6. Hikami S., Larkin A.I. Theory of layer structure superconductors // Modern Phys. -1988. - V.B2. - Р. 693-698.

7. Алексеевский Н.Е., Митин А.В., Нижанковский В.И., Хлыбов Е.П., Евдокимова В.В., Кузьмичев Г.М. Флуктуационная сверхпроводимость и примесные фазы в перовскитоподобных системах и перспективы повышения Тс // СФХТ. -1989. - V.2 (10). - С. 40-55.

8. Friedel, J. On quasi two dimensional XY magnetism and superconductivity of the second kind // Journal de Physique. -1988. V.49, №9. - Р.1561-1568.

9. Мейлихов М.З. Термоактивационная проводимость и вольт-амперная характеристика диэлектрической фазы гранулированных металлов // ЖЭТФ. -1999. - Т.115, №4. - С. 1484-1496.

10. Jorgencen J.D., Shiyou Pei, Lightfoot P., Shi H., Paulikas A.P., Veal B.M.W. Time-dependent structural phenomena at room temperature in quenched YBA2Cu3O6.41 // Physica. -1990. - V.C.167, №3,4. - P.571-578.

11. Tallon J.L., Berbhard C., Shaked H., Hitterman R.L., Jorgensen J.D. Generic superconducting Phase behavior in high-Tc cuprates: Tc variation with hole concentration in Y1Ba2Cu3O7-? // Phys. Rev. B. -1995. - V.51. - Р12911.

Размещено на .ru