Пластическое течение твердого ³Не через пористую упругую пленку

Abstract

В области температур 0,1–1 К проведено исследование пластического течения твердого ³Не через металлизированную пористую упругую полимерную пленку, вмороженную в кристалл. Течение вызывалось механическими напряжениями в кристалле, которые создавались внешней электрической силой. Скорость пластического течения твердого гелия определялась по изменению емкости измерительного конденсатора, в котором металлизированная поверхность пленки служила подвижным электродом. На полученных температурных зависимостях скорости пластического течения V(Т) четко идентифицированы два участка. Выше ∼ 0,2 К величина V уменьшается по экспоненциальному закону при понижении температуры, что соответствует термически активированному режиму пластического течения. При более низких температурах V не зависит от температуры, что свидетельствует о квантовом пластическом течении. В области термоактивации выполнен подробный анализ экспериментальных данных и определены эмпирические значения активационного объема, энергии активации и величины порогового механического напряжения, начиная с которого возникает макроскопическое пластическое течение. Обнаружено, что величина активационного объема в 30–70 раз больше атомного объема, что свидетельствует о масштабе структурных перестроек в кристалле при элементарных актах пластического течения, значительно превышающем атомный размер. При этом значения энергии активации близки к величинам энергии активации вакансий. Полученные экспериментальные результаты проанализированы в рамках диффузионно-вакансионной и дислокационных моделей пластического течения. В рамках дислокационной модели проведена оценка температуры, ниже которой дислокации преодолевают барьер Пайерлса путем квантового туннелирования. В Приложении рассмотрены физические основы использованной методики, а также те результаты теории движения дислокаций в рельефе Пайерлса, которые использовались для анализа характеристик пластического течения твердого ³Не.

В області температур 0,1–1 К проведено дослідження пластичного плину твердого ³Не крізь металізовану пористу пружну полімерну плівку, вморожену в кристал. Плин викликався механічними напруженнями в кристалі, які створювались зовнішньою електричною силою. Швидкість пластичного плину твердого гелію визначалась по зміні ємності вимірювального конденсатора, в якому металізована поверхня плівки була рухомим електродом. На одержаних температурних залежностях швидкості плину V(Т) були чітко ідентифіковані дві області. Вище ∼ 0,2 К величина V зменшувалась із зниженням температури за експоненціальним законом, що відповідає термічно активованому режиму пластичного плину. При більш низьких температурах швидкість V не залежала від температури, що свідчить про квантовий пластичний плин. У термоактиваційній області проведено докладний аналіз експериментальних результатів та визначено емпіричні значення таких параметрів: активаційного об’єму, енергії активації та порогового механічного напруження, починаючи з якого виникає макроскопічний пластичний плин. Виявлено, що значення активаційного об’єму в 30–70 раз більше, ніж атомний об’єм. Це свідчить, що масштаб структурної перебудови в кристалі при елементарних актах пластичного плину, значно перевищує атомний розмір. При цьому значення енергії активації близькі до енергії активації вакансій. Одержані експериментальні результати проаналізовані у рамках дифузійно-вакансійної та дислокаційних моделей пластичного плину. В рамках дислокаційної моделі проведено оцінку температури, нижче якої дислокації долають бар’ер Пайерлса шляхом квантового тунелювання. У Додатку розглянуті фізичні основи використаної методики, а також ті результати теорії руху дислокацій у рел’єфі Пайерлса, які використовувались для аналізу характеристик пластичного плину твердого ³Не.

A study of plastic flow of solid ³He through a metalized porous elastic polymer film frozen into the crystal was carried out in the temperature range of 0.1–1 K. The flow was due to mechanical stresses in the crystal induced by external electrical forces. The plastic flow rate of solid helium was determined by measuring the capacitance changes of a capacitor in which the metalized surface of the film served as a movable electrode. Two different regions could be clearly identified on the temperature dependence of the plastic flow rate V( T). Above ∼200 mK, V drops exponentially with decreasing temperature, which corresponds to the thermally activated regime of plastic flow. At lower temperatures, the rate V is temperature independent, indicating quantum plastic flow. A detailed analysis of the experimental data was performed in the thermally activated region. The empirical values of the following parameters were defined: the activation volume and energy and the yield strength, corresponding to the onset of macroscopic plastic flow. It was found that the value of the activation volume is 30–70 fold the atomic volume, indicating that the scale of structural rearrangements in the crystal at elementary acts of plastic flow is significantly greater than the atomic size. At the same time the activation energy is close to the vacancy activation energy. The obtained experimental data were analyzed within the framework of the vacancy diffusion and dislocation models of plastic flow. In the dislocation model we estimated the temperature below which the dislocations overcome the Peierls barriers by quantum tunneling. The Appendix discusses the physical basis of the methodology applied as well as the results of the theory of dislocation motion in the Peierls potential, which were used to analyze the characteristics of the plastic flow of solid ³He.