Письма в ЖЭТФ, том 88, вып. 12, с. 944-948
© 2008 г. 25 декабря
Ядерная магнитная релаксация 3Не в контакте с аэрогелем выше
температуры Ферми
А. В. Клочков, В. В. Кузьминг\ К. Р. Сафиуллин, М. С. Тагиров, Д. А. Таюрский, Н. Малдорс' 21
Казанский государственный университет, 420008 Казань, Россия + University of Delaware, Newark, DE, USA Поступила в редакцию 11 ноября 2008 г.
Исследована спиновая кинетика 3Не в аэрогеле выше температуры ферми-вырождения. Методом импульсного ядерного магнитного резонанса при температуре 1.5 К получены частотные зависимости времен магнитной релаксации Т\ и Тг адсорбированного, газообразного и жидкого 3Не в 95%-ном силикатном аэрогеле. Обнаружено, что во всех трёх случаях время Ту линейно зависит от частоты, тогда как время частотно независимо. Для объяснения полученных зависимостей продольной релаксации предложена теоретическая модель релаксации в адсорбированном слое 3Не, учитывающая нитевидную структуру аэрогеля.
РАСБ: 67.55.Cx, 76.60.^к
Силикатный аэрогель представляет собой сеть нитей, состоящих из случайно связанных твердых частиц аморфного БЮг с размером 3-5 нм. Среднее расстояние между нитями составляет порядка 50100 нм. Обладая открытой геометрией и большой пористостью (в данной работе использовался образец с пористостью 95%), а также большой удельной поверхностью (порядка 1000м2/г), аэрогель представляет собой уникальную систему для исследования эффектов влияния примесей (роль примесей играют нити аэрогеля) на свойства жидкого 3Не и поверхностных эффектов в магнитной релаксации 3Не (в аэрогеле отсутствуют парамагнитные центры, флуктуирующие магнитные поля которых могут влиять на спиновую кинетику жидкого 3Не).
К настоящему времени опубликовано достаточно много экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям свойств сверхтекучего 3Не в аэрогелях при сверхнизких температурах [1, 2], однако поведение невырожденной ферми-жидкости 3Не в аэрогеле (температура Ферми жидкого 3Не составляет порядка 0.5 К) остается не изучено. В наших предыдущих работах была детально исследована спиновая кинетика 3Не выше температуры вырождения в ограниченной геометрии пор древесных кар-бонизатов [3, 4]. Данная работа посвящена определению вкладов различных механизмов в ядерную магнитную релаксацию 3Не в контакте с аэрогелем при температурах выше 1 К.
Ч e-mail slava625eyandex.ru
2) N.Mulders.
Методика эксперимента. Для изучения магнитной релаксации в системе "3Не-аэрогель", последний плотно вставлялся в стеклянную ампулу, расположенную в гелиевом (4Не) криостате. Газообразный гелий конденсировался в ампулу при температуре образца 1.5 К, при этом давление газа измерялось в теплой зоне.
Для измерения параметров ядерной магнитной релаксации 3Не использовался импульсный ЯМР спектрометр лабораторного изготовления с диапазоном рабочих частот 3 4- 20 МГц. Измерения времен спин-решеточной релаксации производились по методике "насыщение - восстановление" с измерением амплитуды сигнала спада свободной индукции после насыщающего импульса. Времена спин-спиновой релаксации измерялись методом Хана. Температура 1.5 К достигалась откачкой паров жидкого 4Не из криостата.
Заполнение поверхности аэрогеля атомами 3Не осуществлялось по следующей методике: газообразный 3Не конденсировался в экспериментальную ячейку небольшими порциями порядка 0.5 см3 (при нормальных условиях). После конденсации каждой порции контролировалось давление в ячейке, если оно составляло менее Ю-2 торр, конденсировалась следующая порция. При превышении равновесного давления значения Ю-1 торр считалось, что вся поверхность аэрогеля заполнена адсорбированным слоем атомов 3Не. Дальнейшая конденсация 3Не в ячейку вызывала возрастание давления и появление газовой фазы. По достижении давления насыщенных паров 3Не 50.3 торр при 1.5 К в ячейке появлялась жид-
кая фаза и контроль заполнения ячейки жидким 3Не осуществлялся по сигналу ЯМР 3Не.
Результаты. Во всех экспериментах наблюдались одноэкспоненциальные временные зависимости восстановления продольной и спада поперечной на-магниченностей для всех исследуемых спиновых систем: адсорбированный 3Не, адсорбированный и газообразный 3Не, адсорбированный и жидкий 3Не, что может объясняться быстрым обменом атомами 3Не в системе. При этом разделения в сигнале ЯМР между "свободным" (жидким или газообразным) 3Не и адсорбированным 3Не не наблюдалось.
Во всех случаях было обнаружено, что время релаксации Т\ приблизительно линейно зависит от лар-моровской частоты (/о) ЯМР 3Не (рис.1). Напротив,
10
/о (MHz)
Рис.1. Частотная зависимость времени Т±: ф - адсорбированный 3Не, • - адсорбированный и газообразный 3Не (25 торр), > - адсорбированный и жидкий 3Не
времена спада поперечной намагниченности во всех фазах 3Не в аэрогеле от частоты ЯМР не зависят (рис.2).
Были получены зависимости времен Т\ и Тг от количества ядер 3Не в аэрогеле (рис.3,4).
Для выяснения влияния адсорбированной пленки 3Не на магнитную релаксацию 3Не были выполнены эксперименты с покрытием поверхности аэрогеля атомами 4Не и последующей конденсацией газообразного 3Не до установления равновесного давления 25 торр. Наличие на поверхности аэрогеля адсорбированного слоя атомов 4Не, как видно из рис.5, б, приводит к удлинению времен магнитной релаксации 3Не более чем на порядок.
Обсуждение. Время поперечной релаксации в адсорбированной пленке 3Не (рис.2) определяется диполь-дипольным взаимодействием ядерных спинов атомов гелия и поэтому независимость времени Тг от
5 10 15
fo (MHz)
Рис.2. Частотная зависимость времени Т>'. ф - адсорбированный 3Не, • - адсорбированный и газообразный 3Не (25 торр), > - адсорбированный и жидкий 3Не
J_I_I_I_I_I_I_I_
60
Gas volume (cm STP)
Рис.3. Зависимость времени Т\ от количества 3Не в аэрогеле, /о=10МГц
частоты (постоянного магнитного поля) не является неожиданной. Что касается продольной релаксации, то в отсутствие парамагнитных примесей единственным энергетическим резервуаром, способным принять энергию системы ядерных спинов атомов адсорбированного слоя 3Не в процессе магнитной релаксации, является резервуар обменных движений (квантовый обмен) твердотельной пленки 3Не. Качественно наблюдаемая линейная частотная зависимость Т\ в адсорбированном слое 3Не при температуре 1.5 К (рис.1), вероятно, может быть объяснена механизмом релаксации 3Не в 2-мерной пленке, предложенном в работе [5] и основанном на понятиях о двумерном спин-диффузионном движении и его характеристической частоте шс. При подходящем выбо-
20 30 40 50
з
ОаБУоТише (сш БТР)
70
Рис.4. Зависимость времени Т> от количества Не в аэрогеле, /о=20 МГц
0.01 0.1
100 1000
Рис.5. Кривые восстановления ядерной продольной намагниченности газообразного 3Не в аэрогеле в случае покрытия поверхности: о - 3Не, • - 4Не, при равновесном давлении в ячейке 25 торр
ре корреляционной функции расчет в рамках данной теории дает линейную зависимость Т\ ~ ш в ограниченном диапазоне частот 0.3 < и>/и>с < 3. Авторами [6] для объяснения линейной зависимости в широком диапазоне частот для субстратов с неоднородной поверхностью, в частности для порошка БЬХ-6000, было предположено, что имеется целый спектр характерных частот шс, соответствующих локализации атомов 3Не в полостях с различными поверхностями 5т. Также было показано, что равномерное распределение вт дает линейную зависимость Т\ ~ ш в широком диапазоне частот. Однако, на наш взгляд, правомерность использования 2-мерной (фактически плоскостной) модели для описания магнитной релаксации в системе "адсорбированный 3Не-
10 15 20 2т (шб)
Рис.6. Кривые спада ядерной поперечной намагниченности газообразного 3Не в аэрогеле в случае покрытия поверхности: о - 3Не, нии в ячейке 25 торр
Не, при равновесном давле-
аэрогель" весьма проблематична ввиду нитевидной структуры аэрогеля. В то же время, именно нитевидная структура аэрогеля определяет особенности энергетического спектра адсорбированных атомов 3Не. Если на плоской (двумерной) поверхности твердотельного субстрата потенциал адсорбции и, следовательно, потенциальная яма, в которой находятся атомы адсорбированной пленки 3Не, постоянны вдоль всей поверхности, то в случае нитевидной структуры в областях, близких к пересечению нитей (около узлов структуры, см. рис.7, на котором для простоты показано пересечение только двух нитей), глубина потенциальной ямы непрерывно меняется, а следовательно, практически непрерывным образом меняются уровни энергии адсорбированных атомов 3Не. Таким образом, в области около узла всегда можно найти два поверхностных состояния атомов 3Не, энергия перехода между которыми в точности равна энергии переворота ядерного спина. При этом очевидно, что с увеличением резонансной частоты (приложенного магнитного поля) эти два поверхностных состояния пространственно удаляются и вероятность перехода между ними уменьшается. Уменьшается, соответственно, и скорость продольной релаксации. Детали теоретических расчетов будут опубликованы в ближайшем будущем [7].
Измерения времен Т\ и Тг ядер 3Не при наличии газообразной и жидкой фаз в ячейке в зависимости от общего количества конденсированных атомов 3Не (рис.3,4) показали, что времена магнитной релаксации прямо пропорциональны соответствующим временам релаксации в адсорбированном слое и отношению магнитной теплоемкости всей ядерной спиновой
Рис.7. Нитевидная структура силикатного аэрогеля (слева), две пересекающиеся нити (в центре) и изменение глубины потенциальной ямы для адсорбированных атомов 3Не вблизи узла (области пересечения нитей аэрогеля) (справа)
системы к магнитной теплоемкости спинов адсорбированного слоя, то есть:
Тг = Ти ■ N0/Ns, (1)
Т2 = T2s • iV0/iVs, (2)
где Ти (T2S)i Ns - время восстановления продольной намагниченности (спада поперечной намагниченности) и число частиц в адсорбированном слое, соответственно; Т\ (Тг), Nq - время восстановления продольной намагниченности (спада поперечной намагниченности) и число частиц во всей спиновой системе, соответственно. При этом никакого влияния фазового перехода газ-жидкость по мере конденсации 3Не в ячейк
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.