Кинетические процессы в твердом гелии с участием примесей и вакансий (Обзор)

Abstract

Представлен краткий обзор кинетического поведения примесей и вакансий в твердом гелии, которые согласно предсказанию А.Ф. Андреева и И.М. Лифшица делокализуются и превращаются в своеобразные квазичастицы. Основное внимание уделяется необычным диффузионным процессам в твердых растворах ³He- ⁴He Не при их фазовом расслоении. За счет появления в кристалле механических напряжений при расслоении существенно уменьшается диффузионный поток, и эффективный коэффициент диффузии становится меньше коэффициента когерентной квантовой диффузии. При обратном переходе из расслоившегося раствора в гомогенное состояние наблюдается аномально быстрый массоперенос, который может быть качественно объяснен в рамках модели трехэтапного растворения включений ³Не. Проведено сравнение экспериментальных данных о кинетике фазового расслоения с диффузионным описанием процесса при учете различия диффузионных процессов снаружи и внутри зародыша новой фазы. Получено хорошее согласие теоретического расчета и экспериментальных результатов. С использованием модели гомогенного зародышеобразования оценена концентрация зародышей. Впервые сделаны оценки коэффициента массовой диффузии во всей области концентраций растворов. Поведение делокализованных вакансий исследовано в твердых растворах³He в ⁴He вблизи температуры расслоения. Обнаруженные особенности давления в такой системе при многократном циклировании температуры объяснены образованием вакансионных кластеров чистого ⁴He. Хотя сам кристалл не имеет строгой периодичности из-за случайного распределения атомов ³He и ⁴He в узлах решетки, в пределах кластера реализуется периодическая структура, и вакансия становится делокализованной.

Подано короткий огляд кінетичної поведінки домішок та вакансій в твердому гелії, які згідно прогнозу А.Ф. Андрєєва та І.М. Ліфшиця делокалізуються і перетворюються в своєрідні квазічастинки. Основна увага приділяється незвичайним дифузійним процесам у твердих розчинах ³He- ⁴He при їх фазовому розшаруванні. За рахунок появи механічних напруг в кристалі при розшаруванні суттєво зменшується дифузійний потік, і ефективний коефіцієнт дифузії стає менше ніж коефіцієнт когерентної квантової дифузії. При зворотному переході з розшаруватого розчину в гомогенний стан спостерігається аномально швидкий масоперенос, який може бути якісно пояснено в рамках моделі триетапного розчинення включень ³He. Проведено порівняння експериментальних даних про кінетику фазового розшарування з дифузійним описом процесу при обліку відмінності дифузійних процесів зовні і всередині зародка нової фази. Отримано хорошу згоду теоретичного розрахунку та експериментальних результатів. З використанням моделі гомогенного зародкоутворення оцінено концентрацію зародків. Вперше зроблено оцінки коефіцієнта масової дифузії у всієї області концентрацій розчинів. Поведінку делокалізованих вакансій досліджено в твердих розчинах ³He в ⁴He поблизу температури розшарування. Виявлені особливості тиску у такій системі при багаторазовому циклуванні температури пояснено утворенням вакансійних кластерів чистого ⁴He. Хоча сам кристал не має суворої періодичності із-за випадкового розподілу атомів ³He і ⁴He не в вузлах решітки, у межах кластера реалізується періодична структура, і вакансія стає делокалізованою.

A brief review is given of the kinetic behavior of impurities and vacancies in solid helium, which Andreev and Lifshitz predicted should be delocalized and converted into unique quasiparticles. Primary attention is devoted to the unusual diffusion processes in solid ³He- ⁴He solutions as they undergo phase separation. Because mechanical stresses develop in the crystal during separation, the diffusive flow is substantially reduced and the effective diffusion coefficient becomes smaller than the coherent quantum diffusion coefficient. During the inverse transition from a separated mixture into the homogeneous state, anomalously rapid mass transfer is observed which can be explained qualitatively in terms of a model in which ³He inclusions are dissolved in three stages. Experimental data on the kinetics of phase separation are compared with a diffusive description of the process that takes into account the difference between diffusion processes outside and inside a nucleus of the new phase. Good agreement is obtained between a theoretical calculation and the experimental data. A homogeneous nucleation model is used to estimate the concentration of nuclei. For the first time, the coefficient of mass diffusion is estimated over the entire range of the concentration of the solutions. The behavior of delocalized vacancies in ⁴He and ³He solid solutions is studied near the separation temperature. The observed features of the pressure in this kind of system during repeated temperature cycling are explained by the formation of pure ⁴He vacancy clusters. Although the crystal itself has no strict periodicity owing to the random separation of ³He and ⁴He atoms at the lattice sites, a periodic structure is realized within a cluster and vacancies become delocalized.