Тунельні стани у кріокристалах з домішками. Калориметричні дослідження

27. Багацкий М. И., Кривчиков А. И., Манжелий В. Г., Минчина И. Я., Муромцев П. И. Низкоэнергетический спектр вращательного движения матрич-но изолированных двухатомных молекул в твердом Ar. // В кн. : 2 Всес.семинар по оптич. ориентации атомов и молек. - Ленинград: 1989. - С. 119-120.

28. Багацкий М. И., Кривчиков А. И., Манжелий В. Г Минчина И. Я., Муромцев П. И. Теплоемкость твердых растворов Ar-N2, Ar-Co // Сб. Трудов 8 Всесоюзной конференции «Теплофизические свойства веществ» ч. 2. - Новосибирск: -1989. - С. 112-117,.

29. Багацкий М. И., Минчина И. Я., Кузнецов Л. В., Емченко М. Г. Калориметр для измерения теплоемкости отвердевших газов в области температур 0, 3 - 20 К // В кн. : 8 Всес. конф. по калориметрии и хим. термодинамике, ч 2, - Иваново: - 1979. - С. 477-478.

30. Багацкий М. И., Минчина И. Я., Ворфоломеев С. Ф. Исследования угольных и германиевых термометров сопротивления в области температур 0, 4 - 2. 5 К: Препринт / ФТИНТ АН УССР; 16-80. - Харьков: 1980. - 11 с.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Rare gas solids // (eds. M. L. Klein, J. A. Venables). - London-New York-San Francisco: Acad. press, 1977. - 1252 p.

2. Manzhelii V. G., Strzhemechny M. A. Quantum Molecular Crystals // Physics of Cryocrystals (eds. V. G. Manzhelii, Yu. A. Freiman). - Woodbury, New York. : AIP S, PRES, 1997. - Р. 3-210. 3. Манжелий В. Г., Кособуцкая Е. А., Сумароков В. В. и др. Заторможенное вращение линейных молекул в атомарных криокристаллах и тепловые свойства. // ФНТ. - 1986. - Т. 12, №2. - С. 151-171. 4. Devonshire A. F. The rotation of molecules in fields of octahedral symmetry //. Proc. Roy. Soc. A. - 1936. - Vol. 153, N880. - P. 601-621. 5. Manz J., Mirsky K. The geometry and vibrational frequency shift of CO molecules in an Ar matrix studied by forse-field calculation. // Chem. Phys. - 1980. - Vol. 46, N3. - P. 457-468. 6. Фрейман Ю. А., Сумароков В. В., Манжелий В. Г., Попов В. А. Заторможенное вращение молекул кислорода в твердом аргоне. // ФНТ. - 1988. - Т. 14, N5. - С. 537-540. 7. 7. Antsygina T. N., Chishko K. A., and Slusarev V. A. Heat capacity of dilute solid solutions of diatomic molecules in the matrix of inert gases. // Phys. Rev. B. - 1997. - Vol. 55, N6. - P. 3548-3558.

8. Иванов М. А., Фишман А. Я. Влияние случайных деформационных полей на плотность состояний и теплоемкость переориентирующихся центров в кристал- лах // ФТТ. - 1985. - Т. 27, N 5. - С. 1334-1343.

9. Бурин А. Л. Проявление универсальных свойств стекол в твердых растворах двухатомных молекул в кристаллах инертных газов. // ФНТ. - 1991. - Т. 17, № 7, - С. 872-883.

10. Anderson P. W., Halperin B. I. and Varma C. M. Anomalous low- temperature thermal properties of glasses and spin glasses // Philos. Mag. - 1972. - Vol. 25, N 1. - Р. 1-9.

11. Amstutz L. J., Thompson J. R., Meyer H. Observation of molecular motion in solid H2 below 4, 2 K. // Phys. Rev. Lett. -1968. - Vol. 21, N16. - P. 1175-1177.

12. Каган Ю., Максимов Л. А. Квантовая диффузия в нерегулярных кристаллах. // ЖЭТФ. - 1983. - T. 84, N2. - С. 790-810.

13. Delrieu J. M., Sullivan N. S. Quantum tunneling and motional narrowing of HD NMR line in solid hcp H2. // Phys. Rev. - 1981. - Vol. 23 B, N7. - P. 3197-3207. 14. Oyarzun R., Van Kranendonk J. Theory of quantum diffusion in solid hydrogen and deuterium. I. Calculation of the jump frequency. // Can. J. Phys. - 1972. - Vol. 50, N13. - P. 1494-1510.

АНОТАЦІЇ

Багацький М. І. Тунельні стани у кріокристалах з домішками. Калориметричні дослідження. - Рукопис. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiз. -мат. наук за спецiальнiстю 01. 04. 09 - фiзика низьких температур. - Фiзико-технiчний iнститут низьких температур iм. Б. I. Вєркiна НАН України, 2000, Харкiв, Україна.

В дисертацiї наведені результати дослiджень низькотемпературної динаміки обертальної підсистеми в твердих розчинах o-H2, p-D2, 14N2, 15N2, CO, 16O2 в p-H2, o-D2, Ar, Kr, які зумовлені тунелюванням і взаємодіями між домішковими частинками. Виявлено квантову дифузію в твердому D2 з рекордно вузькою шириною зони тунелювання 1??10-9 К. Вперше показано, що домінуючим механізмом квантової дифузії в твердих H2 і D2 є резонансна орто-пара конверсія. Досліджено квантову дифузію і конверсію в твердому водні, а також вплив важких домішок о-D2 і Ne на квантову дифузію і конверсію в твердому водні.

В розчинах типу А - nВ (А = Ar, Kr; В = 14N2, 15N2, CO, 16О2) вперше оцінені температурні та концентраційні границі, в яких обертальна підсистема може знаходитися в станах: а) ідеального граткового газу ротаторів; б) граткового газу ротаторів з непрямою взаємодією; в) орієнтаційного скла з домінуючою непрямою взаємодією; д) орієнтаційного скла з непрямою і квадрупольною взаємодіями. Виконано зіставлення обертальних теплоємностей С ансамблів ротаторів у вказаних станах з теоретичними моделями. Виявлено склоподібну поведінку теплоємності C ансамблю невзаємодіючих ротаторів, які знаходяться в гратках з випадковими статичними полями пружних деформацій. Виявлено новий фізичний об'єкт - орієнтаційне скло з непрямою взаємодією.

Намічено нові напрямки досліджень низькотемпературної динаміки розчинів простих речовин в квантових та класичних кристалах з центральною взаємодією.

Ключовi слова: теплоємність розчинів кріокристалів, низькотемпературна динаміка розчинів кріокристалів та невпорядкованих систем, квантова дифузія і конверсія в кристалах водню і дейтерію.

Багацкий М. И. Туннельные состояния в криокристаллах с примесями. Калориметрические исследования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физ. -мат. наук по специальности 01. 04. 09 - физика низких температур. - Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, 2000, Харьков, Украина.

В диссертации представлены результаты исследований низкотемпературной динамики вращательной подсистемы в твёрдых растворах o-H2, p-D2, 14N2, 15N2, CO, 16O2 в p-H2, o-D2, Ar, Kr, полученные с помощью калориметрических методов. Создан комплекс установок, позволяющий проводить прецизионные измерения тепловых процессов и теплоёмкости криокристаллов в области температур 0. 3 - 300 К. Предложены и применены новые методы изучения квантовой диффузии (конфигурационной релаксации) в водородах: метод временной зависимости мощности тепловыделения, обусловленного конверсией и кластеризацией, и метод сравнения. Результаты исследований основаны на детальном изучении ряда низкотемпературных тепловых эффектов и аномалий в теплоёмкостях указанных растворов, обусловленных туннелированием и взаимодействием между примесями. Обнаружена квантовая диффузия в твердом дейтерии с рекордно узкой шириной зоны туннелирования 1??10-9 К. Впервые показано, что доминирующим механизмом квантовой диффузии в твердых водороде и дейтерии является резонансная орто-пара конверсия. Экспериментально исследовано влияние изотопических (o-D2) и квазиизотопических (Ne) примесей на квантовую диффузию и конверсию в твердом водороде. Было обнаружено: а) слабое влияние на значения и на характер его температурной зависимости примеси о-D2 в области концентраций 3 - 30%; б) ускорение квантовой диффузии в водороде примесями о-D2 и Ne при низких концентрациях; в) увеличение скорости конверсии в водороде примесями о-D2. Детальные прецизионные исследования температурных и концентрационных зависимостей в водороде позволили установить, что доминирующий вклад в вносят последние прыжки молекул о-H2 при образовании кластера.

В растворах типа А - nВ (А = Ar, Kr; В = 14N2, 15N2, CO, 16О2) впервые экспериментально оценены температурные и концентрационные границы, в которых вращательная подсистема может находиться в состояниях: а) идеального решёточного газа ротаторов; б) решёточного газа ротаторов с косвенным дальнодействующим статическим (через статические поля деформаций) и динамическим (через обмен фононов) взаимодействием; в) ориентационного стекла с доминирующим косвенным взаимодействием; д) ориентационного стекла с косвенным и квадруполным взаимодействиями. Выполнено сопоставление экспериментальных вращательных теплоёмкостей С ансамблей ротаторов в указанных состояниях с теоретическими моделями. Установлено, что модель Девоншира - Манца - Мирской не описывает теплоёмкость С (Т) невзаимодействующих ротаторов 14N2, 15N2, CO в твердых Ar и Kr. Предложены модельные энергетические спектры вращательного движения молекул 14N2, 15N2, CO в твердых Ar и Kr. Показано, что различия в температурном поведении теплоёмкостей С (Т) ансамблей невзаимодействующих ротаторов 14N2, 15N2, CO, 16О2 в твердых Ar и Kr при Т < 2 К определяются, главным образом, квантовой статистикой и являются проявлением на макроскопическом уровне квантовых эффектов во вращательном движении ротаторов. Обнаружено стеклоподобное поведение теплоемкости С ансамбля невзаимодействующих ротаторов, которые находятся в решётках со случайными статическими полями упругих деформаций. Обнаружен новый физический объект - ориентационное стекло с косвенным взаимодействием. Выполнены детальные исследования стеклоподобного (универсального) поведения теплоёмкости С (Т, n) ориентационной подсистемы в растворах Kr - n14N2, Ar - n14N2, Kr - n16О2. В растворах Kr - n16О2 стеклоподобное поведение теплоемкости С (Т, n) проявляется менее отчётливо, чем в растворах Kr - n14N2, что связано с относительно слабым влиянием косвенного взаимодействия между ротаторами на вращательный энергетический спектр магнитного ротатора 16О2. Сопоставляя теплоемкости С в растворах Kr - 0. 25% 14N2 - хAr и Kr - n14N2 установлено, что косвенное динамическое взаимодействие (через обмен фононов) между ротаторами, как и статическое взаимодействие (через случайные статические поля упругих деформаций) между ротаторами, приводит к стохастизации туннельных вращательных энергетических уровней ротаторов.

Намечены новые направления исследований низкотемпературной динамики растворов простых веществ в квантовых и классических кристаллах с центральным взаимодействием.

Ключевые слова: теплоёмкость растворов криокристаллов, низкотемпературная динамика растворов криокристаллов и неупорядоченных систем, квантовая диффузия и конверсия в кристаллах водорода и дейтерия.

Bagatskii M. I. Tunneling states of impurities in cryocrystals. Calorimetry investigation. -Manuscript. Thesis for doctor's degree by the speciality 01. 04. 09 - Low Temperature Physics. - B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2000, Ukraine.

The thesis reports the results of calorimetric investigations of the low temperature dynamics of the rotationl subsystem in o-H2, p-D2, 14N2, 15N2, CO, 16O2 solutions in p-H2, o-D2, Ar and Kr. Quantum diffusion has been found in deuterium which has an unprecedentedly narrow zone of tunneling, about 1??10-9 К. It has been shown for the first time that the resonance ortho-para conversion is the dominant mechanism of quantum diffusion in solid hydrogen and deuterium. Quantum diffusion and conversion have been studied on solid hydrogen. Also, the effect of the heavy impurities o-D2, Ne on the quantum diffusion and conversion in solid hydrogen has been studied.

In solutions of the А - nВ type (А = Ar, Kr; В = 14N2, 15N2, CO, 16О2) for the first time the temperature and concentration boundaries have been estimated, within which the rotational subsystem can be in the state of a) an ideal lattice rotator gas, b) a lattice rotator gas which an indirect interaction, c) an orientatioal glass with an indirect interaction, d) ) an orientatioal glass with indirect and quadrupolar interactions. The rotational heat capacities С of an ensemble of rotators in the above states have been compared with theoretical models. A glass-type behavior of the heat capacities С has been detected for non-interacting rotators which are in lattices with random static fields elastic deformations. A new physical object - an orientatioal glass with an indirect interaction has been detected.

New trends have been envisaged in investigation of the low temperature dynamics of solutions of simple substances in quantum and classical crystals with central interactions.

Key words: heat capacity of cryocrystal solutions, low-temperature dynamics of cryocrystal solutions and disordered systems, quantum diffusion and conversion in hydrogen and deuterium crystals.

Размещено на Allbest.ru