Нанокластеры атомов 4He вокруг вакансий в твердых растворах ⁴He в ³He

Abstract

Проведены прецизионные измерения давления в твердых растворах ⁴He в ³He при циклировании температуры в пределах области расслоения. Обнаружено, что в результате такого циклирования разность давлений ΔР при минимальной (≈ 100 мК) и максимальной (≈ 200 мК) температурах уменьшается приблизительно в 3 раза и в дальнейшем сохраняется в течение длительного времени. Восстановление исходных значений ΔР и давления P₀ в однородном твердом растворе ⁴He-³He происходит только после отогрева образца до температуры, существенно превышающей температуру расслоения. Полученные данные объяснены в рамках гипотезы о возникновении в этих условиях кластеров чистого ⁴He вокруг квазиравновесных вакансий. Проведен термодинамический расчет таких кластеров, результаты которого дали возможность количественно объяснить найденные особенности. В результате сравнения расчета с экспериментом определена концентрация кластеров, равная 8×10⁻⁵, и их радиус, составляющий 3-4 межатомных расстояний при низких температурах. Получено характерное время установления стационарного состояния в таких условиях и высказано предположение, что оно определяется процессами на границе кластера.

Precise measurements of the pressure in solid solutions of ⁴He in ³He are performed with temperature cycling in the phase-separation range. It is found that as a result of such cycling the difference ΔP of the pressures between the minimum (≈100 mK ) and maximum (≈200 mK ) temperatures decreases by a factor of approximately 3 and then remains unchanged for a long time. The initial values of ΔP and the pressure P₀ in a uniform solid solution 4 He – 3 He are restored only after the sample is heated to a temperature substantially above the phase-separation point. The data obtained are explained on the basis of the hypothesis that under these conditions clusters of pure ⁴He form around quasiequilibrium vacancies. A thermodynamic calculation of such clusters is performed. The computational results made it possible to give a quantitative explanation of the distinctive features observed. Comparing the calculations with experiment made it possible to determine the cluster concentration, 8×10⁻⁵, and the cluster radius, which is 3–4 interatomic distances at low temperatures. The characteristic equilibration time under these conditions is determined, and it is suggested that processes occurring at cluster boundaries determine its value.

Проведено прецизійні виміри тиску у твердих розчинах ⁴He у ³He при циклуванні температури в межах області розшарування. Виявлено, що в результаті такого циклування різниця тисків ΔP при мінімальній (≈ 100 мК) і максимальній (≈ 200 мК) температурах зменшується приблизно в 3 рази і надалі зберігається протягом тривалого часу. Відновлення початкових значень ΔP і тиску P₀ в однорідному твердому розчині ⁴He-³He відбувається тільки після відігріву зразка до температури, що істотно перевищує температуру розшарування. Здобуті дані пояснено в рамках гіпотези про виникнення в цих умовах кластерів чистого ⁴He навколо квазірівноважних вакансій. Проведено термодинамічний розрахунок таких кластерів, результати якого дозволили кількісно пояснити знайдені особливості. У результаті порівняння розрахунку з експериментом визначено концентрацію кластерів, що дорівнює 8×10⁻⁵, і їхній радіус, що складає 3-4 міжатомних відстаней при низьких температурах. Здобуто характерний час встановлення стаціонарного стану в таких умовах і висловлено припущення, що він обумовлений процесами на границі кластера.