О МЕХАНИЗМЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА В СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ
Э. А. Пашицкий* В. И. Пентегов
Институт физики Национальной академии наук Украины.
03028, Киев. Украина
Поступила в редакцию 18 августа 2011 г.
В экспериментах по изучению поглощения электромагнитных (ЭМ) волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в сверхтекучем (CT) гелии [1-3] на фоне широкой полосы поглощения шириной (30-40) ГГц наблюдалась узкая линия поглощения ЭМ-поля шириной порядка (20-200) кГц на частотах /о а (110-180) ГГц, которые соответствуют энергии ротонной щели ДГ(Т) в интервале температур (1.4-2.2) К. В данной работе на основе так называемого флексоэлектрического механизма поляризации атомов гелия (4Но) при наличии в СТ-гелии (Но II) градиентов плотности показано, что нерезонансное СВЧ-поглощение в интервале частот (170-200) ГГц может быть обусловлено существованием переменных во времени локальных градиентов плотности, которые создаются ротонными возбуждениями в объеме Но II. При этом ширина полосы поглощения определяется временем ротон-ротонного рассеяния в равновесном больцмановском газе ротонов, которое при Т = 1.4 К равно tr-r « 3.4 • Ю-11 с и убывает с повышением температуры. Высказывается предположение о том, что существование аномально узкой линии резонансного СВЧ-поглощения в Но II на ротонной частоте fu(T') = АГ{Т)/2жН обусловлено двумя факторами: 1) дискретной структурой спектра поверхностных ЭМ-мод резонатора в виде периодической последовательности узких пиков и 2) наличием в Но II вблизи поверхности резонатора стационарного дипольного слоя, который возникает за счет поляризации атомов 4Но под действием градиента плотности, связанного с обращением в нуль плотности СТ-компоненты на твердой стенке. Благодаря этому процесс релаксации неравновесных ротонов, рождающихся внутри такого приповерхностного дипольного слоя, сильно подавлен, а форма и ширина резонансной линии СВЧ-поглощения определяются ротонной плотностью состояний, которая при слабой диссипации имеет острый максимум на краю ротонной щели. Эффективные дипольные моменты ротонов внутри дипольного слоя с равной вероятностью могут быть направлены как вдоль, так и против нормали к поверхности резонатора, чем объясняется наблюдавшееся в экспериментах симметричное дублетное расщепление резонансной линии поглощения во внешнем постоянном электрическом поле, перпендикулярном поверхности резонатора. Показано, что отрицательное поглощение (индуцированное излучение) квантов ЭМ-поля, наблюдавшееся при включении «тепловой пушки» Капицы, происходит в том случае, когда числа заполнения ротонных состояний за счет «накачки» ротонов превышают числа заполнения фотонов ЭМ-поля резонатора.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в ряде работ [1 3] были опубликованы результаты экспериментов, в которых с помощью погруженного в Не II диэлектрического резонатора в виде круглого диска радиусом До « 1 см и толщиной / « 1 мм изучалось поглощение ЭМ-волн СВЧ-диапазона (80 240) ГГц. В этих экспериментах впервые была обнаружена
* E-mail: pashitsköiop.kiev.ua
чрезвычайно узкая линия поглощения па частотах, удовлетворяющих условию /о(Г) = Аг(Г)/27г/г, где ДГ(Т) зависящая от температуры ротонная щель в спектре элементарных возбуждений Не II. Аномально узкая резонансная линия, ширина которой на шесть семь порядков меньше ротонной частоты /о(Г), наблюдалась на фоне гораздо более широкой полосы поглощения («пьедестала») шириной порядка (30 40) ГГц. Частота резонансной линии монотонно уменьшалась с повышением температуры от максимального значения « 180 ГГц при Т = 1.4 К,
7 ЖЭТФ, выи. 2 (8)
305
когда А,./кв ~ 8.65 К (где к в постоянная Больц-мана), до минимального значения "7 « 110 ГГц при Т = Т\, когда Аг/кв ~ 5.52 К, в полном соответствии с температурной зависимостью ротон-пой щели Д,.(Т), известной из результатов нейтронных экспериментов [4,5]. При этом ширина резонансной линии поглощения, равная Д/ « 20 кГц при Т = 1.4 К, возрастала с повышением температуры и при Т « ГА достигала значения Д/ « 200 кГц, а в области Т > Т\ сохранялась слабая размытая линия поглощения шириной Д/ « 400 кГц на минимальной частоте 110 ГГц, что свидетельствует о существовании конечной ротонной щели в нормальном жидком гелии (Не I) выше А-точки.
Как было показано в последующих экспериментах [6], в постоянном электрическом поле, направленном перпендикулярно боковой поверхности резонатора, происходит симметричное дублетное расщепление узкой резонансной линии СВЧ-поглоще-ния, причем ширина расщепления пропорциональна напряженности поля, по аналогии с линейным эффектом Штарка.
Кроме того, в работе [7] впервые наблюдался эффект отрицательного поглощения (индуцированного излучения) энергии ЭМ-волн на ротонной частоте при наличии в Не II стационарного теплового потока, создаваемого с помощью струи нормальной компоненты, вытекающей из сопла «тепловой пушки» Капицы [8]. Интенсивность положительного и отрицательного СВЧ-поглощения изменялась дискретно при непрерывном изменении мощности «тепловой пушки», что по предположению авторов работы [7] связано с квантованием азимутальной скорости макроскопического вихревого потока СТ-компоненты, вращающегося вокруг диска резонатора навстречу струе нормальной компоненты. Однако природа такой связи не была установлена.
Механизм как положительного, так и отрицательного СВЧ-поглощения на ротонной частоте, несмотря на ряд попыток его объяснения, до настоящего времени не выяснен. Так, например, в работе [1] высказывалось предположение о том, что поглощение фотонов на резонансной частоте сопровождается рождением ротонов, и обсуждался вопрос о законе сохранения импульса с учетом передачи большого импульса ротона твердой стенке резонатора с возможным рождением в нем фононов, однако процесс такого неупругого взаимодействия ротона с поверхностью твердого тела рассмотрен не был.
При этом остается также непонятным сам механизм взаимодействия ротонов в нейтральной бо-зе-жидкости Не II с ЭМ-полем. В работе [3] было
высказано предположение о том, что электрическая компонента ЭМ-поля резонатора взаимодействует с дипольпым моментом ротона, который возникает в результате асимметричного распределения плотности в ротонном возбуждении, однако никаких обоснований такого механизма формирования ротонного диполыгого момента в объеме Не II не было приведено. С другой стороны, для объяснения аномально малой ширины линии резонансного поглощения в работе [3] было выдвинуто предположение о передаче импульса ротона макроскопически когерентной СТ-компоненте как целому, по аналогии с эффектом Мессбауэра в твердом теле, хотя механизм такой передачи импульса в квантовой бозе-жидкости Не II, предложенный в работе [3], нельзя считать обоснованным.
Отрицательное поглощение (излучение) фотонов ЭМ-поля трактовалось в работе [7] в рамках простой «двухуровневой» модели квантовой жидкости 4Не с верхним «уровнем» на краю ротонной щели, инверсная населенность которого возникает под действием тепловой пушки Капицы, однако обоснование такой модели квантового генератора для Не II в работе [7] отсутствует.
Недавно был опубликован ряд теоретических работ [9 12], в которых предпринимались попытки объяснения механизма взаимодействия ротонов с ЭМ-полем. В частности, в работе [9] рассматривалась возможность возникновения диполыгого момента у ротона в рамках модели микроскопического квантового вихревого кольца, движущегося в СТ-жидкости. Однако на основе симметрийных соображений в работе [9] было показано, что постоянный дипольный момент у ротона в объеме Не II должен отсутствовать. Кроме того, сама модель ротона в виде вихревого кольца не согласуется с тем фактом, что конечная ротонная щель сохраняется в спектре нормального жидкого гелия (Не I) выше А-точки, когда существование квантовых вихрей и вихревых колец невозможно из-за отсутствия когерентной С Т-компоненты.
В работах [10 12] было введено представление о «циркулярных» фонолах и ротонах, волновые функции которых имеют такую же пространственную структуру и симметрию, как и поверхностные собственные ЭМ-моды цилиндрического резонатора, и не обладают определенным импульсом. Однако такое макроскопическое состояние, присущее линейным полям (в частности, ЭМ-полю), не может реализоваться для ротонных возбуждений, которые являются квантами нелинейного бозонного поля (бо-зе-жидкости) с сильным взаимодействием между бо-
зонами и представляют собой локализованные волновые пакеты [13].
В настоящей работе высказывается предположение о том, что наблюдавшиеся в экспериментах [1 3] эффекты могут быть следствием рассмотренного в работе [14] флексоэлектрического эффекта в неоднородном Не II, т. е. механизма поляризации атомов гелия (4Не) под действием локальных градиентов плотности в Не II, когда в области неоднородности возникает асимметрия сил Ван дер Ва-альса, действующих на атом 4 Не со стороны соседних атомов. В разд. 2 рассматриваются переменные во времени градиенты плотности, создаваемые самими ротонными возбуждениями в объеме Не II, и с помощью метода вторичного квантования получено выражение для скорости поглощения энергии собственных поверхностных ЭМ-мод резонатора за счет процессов поглощения фотонов с рождением ротонов. При этом не возникает никаких проблем с законом сохранения импульса, поскольку собственные ЭМ-моды не имеют определенного импульса и жестко привязаны к поверхности резонатора, так что импульс рождающегося ротона целиком передается всему резонатору как целому. Показано, что с учетом характерного времени ротон-ротонной релаксации 1г-г ~ 3.4 • Ю-11 с при Т = 1.4 К ширина линии нсрсзонансного поглощения Д/ « 30 ГГц совпадает по порядку величины с наблюдавшейся экспериментально шириной «пьедестала» в области частот (170 200) ГГц.
В разд. 3 обсуждается вопрос о происхождении узкой резонансной линии СВЧ-поглощония в Не II на ротонной частоте /0(Г) = Д,.(Т)/2тгЙ и высказывается предположение о том, что причиной аномально малой ширины этой линии (Д/ « 20 кГц при Т = 1.4 К и Д/ « 200 кГц при Т = ГА) является, с одной стороны, дискретная структу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.