Спин-решеточная релаксация в сверхтекучих включениях, образованных в матрице твердого гелия

Abstract

Методом импульсного ядерного магнитного резонанса исследованы процессы спин-решеточной релаксации в сверхтекучих включениях, образующихся в процессе роста и быстрого охлаждения кристаллов гелия. Измерения времени спин-решеточной релаксации проведены с использованием двух эхо-сигналов, что позволило получить надежные данные для каждой из сосуществующих фаз двухфазной системы ГПУ матрица–сверхтекучие включения. Исследованы образцы раствора ³Не в ⁴Не при концентрации 1,0% ³Не с молярным объемом 20,2 см3/моль в интервале температур 1,4–1,9 К. Обнаружено, что время спин-решеточной релаксации в сверхтекучих каплях существенно отличается от соответствующих значений для объемной сверхтекучей жидкости. Показано, что в обоих случаях доминирует механизм стеночной релаксации, которая осуществляется на порядки быстрее, чем объемная релаксация. Однако в случае объемной жидкости скорость стеночной релаксации определяется временем диффундирования атомов к стенкам, в то время как для включений основную роль играет время релаксации спинов непосредственно на стенке. При этом для сверхтекучих капель единственными магнитными примесями на стенках включения являются атомы ³Не, которые обеспечивают гораздо более слабое магнитное взаимодействие, чем сильные магнитные примеси на стенках ячейки. Также наблюдалось резкое спонтанное изменение амплитуды одного из эхо-сигналов, связанное с затвердеванием сверхтекучих капель и образованием метастабильного долгоживущего неупорядоченного (стекольного) состояния.

Методом імпульсного ядерного магнітного резонансу досліджено процеси спін-граткової релаксації в надплинних включеннях, що утворюються в процесі росту і швидкого охолодження кристалів гелію. Ви-мірювання часу спін-граткової релаксації проведено з використанням двох ехо-сигналів, що дозволило отримати надійні дані для кожної з співіснуючих фаз двофазної системи ГЩП матриця–надплинні вклю-чення. Досліджувалися зразки розчину ³Не в ⁴Не при концентрації 1,0% ³Не з молярним об'ємом 20,2 см3/моль в інтервалі температур 1,4–1,9 К. Виявлено, що час спін-граткової релаксації в надплинних краплях істотно відрізняється від відповідних значень для об'ємної надплинної рідини. Показано, що в обох випадках домінує механізм стінкової релаксації, яка здійснюється на порядки швидше, ніж об'ємна релаксація. Однак у випадку об'ємної рідини швидкість стінкової релаксації визначається часом дифундування атомів до стінок, в той час як для включень основну роль відіграє час релаксації спінів безпосередньо на стінці. При цьому у разі надплинних крапель єдиними магнітними домішками на стінках включення є атоми ³Не, які забезпечують набагато більш слабку магнітну взаємодію, ніж сильні магнітні домішки на стінках комірки. Також було спостережено різку спонтанну зміну амплітуди одного з ехо-сигналів, яка пов'язана з затвердінням надплинних крапель та утворенням метастабільного довгоісную-чого неупорядкованого (склоподібного) стану.

The processes of spin-lattice relaxation in the su-perfluid inclusions, formed during growth and rapid cooling of helium crystals are studied by the pulse nuclear magnetic resonance method. The measure-ments of spin-lattice relaxation time were carried out using a two spin-echoes method. This allows us to ob-tain reliable data for each of the coexisting phases of a two-phase system HCP matrix — superfluid inclu-sions. The samples of the solid solution 1% ³He in ⁴He with molar volume 20.2 cm3/mol are investigated in the temperature range 1.4–1.9 K. It is found that the time of spin-lattice relaxation in the superfluid drops differs significantly from that in the bulk superfluid. It is shown that in both cases the dominant relaxation mechanism is the wall relaxation, which is some or-ders of magnitude faster than the bulk relaxation. However, in the bulk fluid, the velocity of wall relaxa-tion is determined by the time of atoms diffusion to the walls, while the spin relaxation processes directly on the wall play a major role in the superfluid inclu-sions. In the case of superfluid droplets, ³He atoms are the only magnetic impurities on the walls of the inclusions. They are much less efficient magnetic centers than the strong magnetic particles on the walls of the cell. Moreover a spontaneous dramatic change is ob-served in the amplitude of one of the echo-signals, which associated with the solidification of superfluid droplets and the formation of long-lived metastable disordered (glass) state.