Особенности температурной зависимости давления твердого гелия при низких температурах

Abstract

Проведена серия экспериментов по исследованию условий образования неупорядоченного (стеклоподобного) состояния в кристаллах ³Не. С помощью прецизионных измерений давления при постоянном объеме установлено, что в быстро охлажденных кристаллах, выросших в однородных температурных условиях при наличии большого числа зародышей, легко образуется стекольная фаза, устраняемая лишь после тщательного отжига. Этот результат обнаружен как в ³Не, так и в ⁴Не, он не зависит от типа квантовой статистики, а определяется, в основном, условиями роста кристалла. Проведен анализ аналогичных измерений при использовании другой ячейки, где в процессе роста кристалла создавался направленный градиент температуры. В этом случае для образования стекольной фазы требовалось дополнительное количество дефектов, которые создавались в результате деформации кристалла. Достижимая в эксперименте степень деформации кристалла была достаточна для образования стекольной фазы в твердом ⁴Не и недостаточна для кристалла ³Не, где атомы имеют большую амплитуду нулевых колебаний. На основании анализа температурной зависимости давления проведено также исследование особенностей фононного вклада в давление. Обнаружено, что в кристаллах как ³Не, так и ⁴Не при разных толщинах образцов фононное давление отличается в несколько раз. Приведено качественное объяснение этого эффекта, который обусловлен тем, что в тонких образцах усиливается взаимодействие между слоями атомов. Такое усиление приводит к уменьшению фононного вклада в термодинамические свойства кристалла гелия при низких температурах.

Проведено серію експериментів з дослідження умов утворення неупорядкованого (склоподібного) стану в кристалах ³Не. За допомогою прецизійних вимірювань тиску при постійному об’ємі встановлено, що в швидко охолоджених кристалах, що виросли в однорідних температурних умовах за наявності великої кількості зародків, легко утворюється склоподібна фаза, яка усувається лише після ретельного відпалу. Цей результат виявлено як в ³Не, так і в ⁴Не, він не залежить від типу квантової статистики, а визначається, в основному, умовами росту кристала. Проведено аналіз аналогічних вимірювань при використанні іншої комірки, де в процесі росту кристала створювався спрямований градієнт температури. У цьому випадку для утворення склоподібної фази потрібна додаткова кількість дефектів, які створювалися в результаті деформації кристала. Ступінь деформації кристала що досягнута в експерименті, була достатня для утворення склоподібної фази в твердому ⁴Не і недостатня для кристала ³Не, де атоми мають велику амплітуду нульових коливань. На підставі аналізу температурної залежності тиску проведено також дослідження особливостей фононного внеску до тиску. Виявлено, що в кристалах як ³Не, так і ⁴Не при різних товщинах зразків фононний тиск відрізняється в кілька разів. Приведено якісне пояснення цього ефекту, який обумовлений тим, що в тонких зразках посилюється взаємодія між шарами атомів. Таке посилення призводить до зменшення фононного внеску до термодинамічних властивостей кристала гелію при низьких температурах.

A series of experiments have been performed to find out the conditions for formation of disordered (glassy) state in ³He crystals. The high-precision pressure measurements at constant volume demonstrated that a glassy phase was easily generated in quenched cooled crystals grown under uniform temperature conditions in the presence of big number of nuclei and could be removed only after careful annealing. This result was found in both ³He and ⁴He. It does not depend on the type of quantum statistics and is defined mainly by the conditions of the crystal growth. Analysis of similar measurements also was made for some other cell, where the temperature gradient was created in the process of crystal growth. In that case an additional number of defects, created due to deformation of the crystal, were required for formation of a glassy phase. The degree of crystal deformation achieved in the experiment was sufficient for the formation of glassy phase in solid ⁴He, but not in ³He, where the atoms had higher amplitude of zero-point oscillations. The temperature dependence of pressure was used to study the features of phonon contribution to pressure. It is found that in crystals of both ³He and ⁴He, the phonon pressure differs by several times at different thicknesses of the sample. The qualitative explanation of this effect implies that in thin samples interaction between atomic layers becomes stronger, resulting in decreasing the phonon contribution to the thermodynamic properties of the crystal at low temperature.