Анотація до роботи:

Вовк Р.В. Динаміка квазічастинкових підсистем з різними енергетичними спектрами в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.09 – фізика низьких температур. – Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2008.

Представлено експериментальні результати, одержані при дослідженнях еволюції підсистем квазічасткових збуджень різноманітного спектру в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах різної морфології. Отримані результати дозволили встановити закономірності часової і просторової еволюції анізотропних фононних пучків у надплинному гелії. Вперше експериментально зареєстрований і детально досліджений унікальний ефект утворення гарячої лінії при зіткненні двох фононних пучків при наднизьких температурах в ⁴Не. Визначені закономірності впливу дефектного ансамблю різної морфології, структурної анізотропії, легування домішками і високого гідростатичного тиску на флуктуаційне формування підсистем нескорельованих заряджених бозонів, а також реалізацію різних низькотемпературних фазових переходів у ВТНП-монокристалах системи 1-2-3.

У дисертаційній роботі отримані важливі наукові результати, які в сукупності вирішують поставлену проблему щодо встановлення закономірностей флуктуаційного формування, часової і просторової еволюції підсистем заряджених і незаряджених бозонів в умовах структурної і кінематичної анізотропії в надплинному ⁴Не і ВТНП-сполуках системи 1-2-3. При виконанні поставлених експериментальних задач була розроблена і створена необхідна експериментальна база, що містить ряд оригінальних пристроїв і принципово нових експериментальних методик. Таким чином, розвинуто наукові основи нового напрямку фізики низьких температур - динаміка підсистем квазічастинкових збуджень в умовах структурної і кінематичної анізотропії.

Найважливішими з одержаних результатів є наступні.

При дослідженнях часової і просторової еволюції анізотропних фононних систем в надплинному ⁴Не:

- вперше зареєстрована незвичайна форма кутового розподілу l-фононів в пучку з плоским верхом в деякому діапазоні кутів поблизу нуля. Встановлено, що температура фононного листа в процесі його розповсюдження залишається постійною над його центральним регіоном, що є показником генерації високоенергетичних h-фононів в його центральній ділянці;

- вперше розроблено і застосовано експериментальний метод, який дозволив пригнічувати l-фононний внесок в сигнал, що поступає на болометр і детектувати h-фононний сигнал, практично вільний від l-фононної складової;

- встановлено, що інтегральний h-фононний сигнал, пропорційний загальній енергії h-фононної підсистеми, є універсальною функцією енергії імпульсу;

- експериментально показано, що високоенергетичні h-фонони безперервно генеруються впродовж всієї траєкторії розповсюдження низькоенергетичного l-фононного імпульсу в рідкому ⁴He. З урахуванням дисперсії швидкостей високоенергетичних фононів, сигнал, що приходить на болометр в кожен момент часу, визначається їх енергетичним діапазоном;

- порівняння експериментальних даних з аналітичними передбаченнями теорії Адаменко - Віатта дозволило встановити, що початкова температура l- фононного пучка, яка накладає обмеження на можливість генерації таким пучком високоенергетичних h-фононів варіюється в інтервалі від 0.75 К до 0.9 К. При температурах Т < 0.75 К кількість утворених h-фононів стає незначною тоді як при Т > 0.9 К зростання загальної енергії h-фононів в основному визначається збільшенням величини тілесного кута, який займають фонони в імпульсному просторі.

При вивченні процесів взаємодії фононних листів у випадку їх зіткнення в надплинному ⁴Не:

- вперше експериментально зареєстровано унікальний ефект генерації «гарячої лінії» при зіткненні двох анізотропних листів в рідкому ⁴Не, в процесі їх розповсюдження при наднизьких температурах;

- встановлено, що l – фононні листи, що розповсюджуються в надплинному гелії, інтенсивно взаємодіють, коли кут між ними малий і не взаємодіють при великих кутах. У першому випадку взаємодія між листами сильна і приводить до утворення гарячої лінії в рідкому гелії. Ця лінія рухається зі швидкістю с = 238 м/с вздовж бісектриси між нормалями до двох листів. Гаряча лінія безперервно підживлюється енергією від ареалів листів, що скорочуються, і витрачає енергію на генерацію h – фононів, при цьому знаходячись в динамічній рівновазі при фактично постійній температурі на всьому шляху її поширення. Гаряча лінія збирає енергію від тих частин листів, які в протилежному випадку не потрапляють на болометр, що приводить до значного посилення h – і l – фононних сигналів, у порівнянні з сумарним сигналом від двох фононних листів, які розповсюджуються роздільно. Вищеописані ефекти з'явилися першими прямими доказами того, що структура фононних листів визначається сильною взаємодією низькоенергетичних фононів, що займають вузький конус в імпульсному просторі;

- показано, що затримка кривої відгуку на детекторі характеризує енергетичний профіль гарячої лінії з відносно малим розширенням, що визначається кінцевим розміром чутливої плями болометра. Крива відгуку як функція затримки, має форму подібну лоренціану, яка майже не залежить від кута між двома фононними листами. При цьому напівширина гарячої лінії в просторі варіюється як 1/sin(/2);

-встановлено, що тілесний кут, який займають фонони гарячої лінії в імпульсному просторі _hl збільшується, а її температура Т_hl зменшується з кутом і потужністю нагрівача. Густина енергії гарячої лінії пропорційна _hlТ_hl⁴ і збільшується з кутом і потужністю нагрівача;

-із значень кутів для піка l - фононного сигналу було оцінено переважаючий кут 3_рр - розсіювання, який складає близько 10^o і дещо варіюється з потужність нагрівача, що узгоджується з розрахунками теорії Адаменко-Віатта;

- встановлено, що при тиску Р 18 бар в надплинному ⁴Не час взаємодії фононних імпульсів менший часу релаксації фононів і фонони різних імпульсів не встигають провзаємодіяти в області їх перетину. При цьому гаряча лінія не утворюється і еволюція в часі і просторі кожного з них відбувається незалежно. В цьому випадку амплітуда сигналу на болометрі від двох одночасно інжектованних імпульсів дорівнює сумі амплітуд сигналів від цих двох нагрівачів, на які імпульси струму подаються в різні моменти часу. При тиску Р < 18 бар час взаємодії імпульсів в об'ємі їх перетину більший за час релаксації фононів, таким чином фонони різних імпульсів встигають провзаємодіяти один з одним і створити у області перетину імпульсів гарячу лінію, яка перпендикулярна площині болометра. В цьому випадку енергія імпульсів, що розширюються, не йде на нескінченність, а накопичується в області гарячої лінії і рухається уздовж вісі симетрії до болометра. У результаті амплітуда l-фононного сигналу завжди виявляється більшою суми амплітуд сигналів при незалежному русі кожного імпульсу до болометра.

Встановлені наступні закономірності впливу допантів і структурних дефектів на процеси флуктуаційного формування підсистем заряджених бозонів і еволюцію псевдощилинної аномалії в монокристалах ВТНП-сполук системи 1-2-3:

- наявність в монокристалах YBa₂Cu₃O_7- двійникових меж сприяє посиленню процесів розпаровування флуктуаційних носіїв, тим самим, зміщуючи точку 2D-3D кросовера. Зниження вмісту кисню приводить до значного звуження інтервалу лінійної залежності _ab(Т), розширенню області реалізації надлишкової провідності і збільшенню довжини когерентності вздовж вісі с x_с(0) більше ніж удвічі;

- надлишкова провідність Ds(Т) монокристалів YBa₂Cu₃O_7-, YBa₂Cu_3-yAl_yO_7- і Y_1-zPr_zBa₂Cu₃O_7-d в широкому інтервалі температур T_f < Т < T* підкоряється експоненціальній температурній залежності. Допування монокристалів YBaCuO малими домішками алюмінію і празеодима до 5% приводить до якісно різної зміни ходу температурних залежностей _ab(Т)_. В той час як слабке (до z 0.05) допування празеодимом монокристалів YВaCuO сприяє значному звуженню температурного інтервалу реалізації псевдощілинного стану в ab-площині, внесення добавки алюмінію при такій же концентрації приводить до зворотного ефекту розширення області існування ПЩ-режиму, тим самим звужуючи лінійну ділянку залежності _ab(Т);

- в процесі відпалювання при кімнатних температурах протягом 4 діб відбувається відносне розширення області існування ПЩ. При цьому абсолютне значення величини псевдощілини * зменшується приблизно на 10%.

При вивченні анізотропії провідності, ефектів локалізації і впливу високого тиску на транспортні властивості монокристалів ReBa₂Cu₃O_7- (Re=Y, Но) з різним дефіцитом кисню встановлено, що:

- зниження ступеня допування киснем монокристалів ReBa₂Cu₃O_7- (Re = Y, Но) приводить до нерівномірного розподілу кисню в об'ємі кристала і утворення фаз з різними критичними температурами;

- у напрямку ab-площини зниження вмісту кисню приводить до значного звуження інтервалу лінійної залежності _ab(Т) і розширення області реалізації псевдощілинного режиму. При цьому абсолютні значення величин енергетичних щілин вздовж і поперек базисної площини змінюються з різними знаками похідних при варіюванні вмісту кисню. У міру зростання _с величина псевдощілини *_ab зменшується і навпаки, що свідчить про пригнічення ПЩ-режиму при одночасному посиленні локалізаційних ефектів;

- на відміну від сполуки YBa₂Cu₃O_7-, для випадку НоBa₂Cu₃O_7- температурна залежність анізотропії електроопору r_с/r_ab(Т), добре описується за допомогою універсального «закону 1/2» для термоактівационної стрибкової провідності;

- на відміну від зразків стехіометричного складу, докладання високого тиску до зразків з дефіцитом кисню приводить до істотного зменшення довжини когерентності перпендикулярно ab-площини x_с(0);

- встановлено, що індукований високим гідростатичним тиском перерозподіл лабільного кисню приводить до зміщення температурного інтервалу існування тривимірних надпровідних флуктуацій;

- у зразках з високим ступенем відхилення від стехіометрії перерозподіл кисню після докладання-знімання високого гідростатичного тиску приводить до зміни величини енергії активації перенесення заряду і дифузійного переміщення лабільної компоненти з фази з меншою критичною температурою до високотемпературної фази.

Публікації автора:

1. Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. Angular distribution of a pulse of low energy phonons in liquid ⁴He // Phys. Rev. B, - 2003. -Vol. 68, №13. -Р. 134508 (1-5).

2. Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. Interactions between Sheets of Phonons in Liquid ⁴He // Phys. Rev. Lett. -2003. -Vol. 91, №23. -Р. 235302 (1-4).

3. Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. High-energy phonon pulses in liquid ⁴He // Phys. Rev. B. -2004. -Vol. 69, №14. -Р. 144524 (1-10).

4. Вовк Р.В. Еволюція фононного аркушу в Не-II при його розповсюдженні в довгоімпульсному режимі // Вісник Донецького університету. -2004. -Сер.А: Природничі науки, № 1, Ч.2. -С. 498-502.

5. Оболенский М.А., Вовк Р.В., Бондаренко А.В., Самойлов А.В. Некоторые особенности компрессионного изменения сверхпроводящих свойств квазидвумерных соединений на основе иттрия и диселенида ниобия с различной степенью отклонения от стехиометрии // ФТВД. -2005. -Т.15, №3, -С. 89-99.

6. Adamenko I.N., Nemchenko K.E., Slipko V.A., Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. Spatial evolution of pulses of low-energy phonons in liquid ⁴He // Journal of Molecular Liquids. -2005. -Vol. 120, № 1-3. -P. 163-165.

7. Obolenskii M.A., Vovk R.V., and Bondarenko A.V. Relaxation processes in nonstehiometric single crystals YBaCuO under high pressure and annealing // Functional Materials. -2005. -Vol. 12, №3. -Р. 436-441.

8. Smith D.H.S., Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. Pressure dependence of phonon interactions in Liquid ⁴He // Phys. Rev. B. -2005. -Vol. 72, №5. -Р. 054506 (1-7).

9. Оболенський М.О., Вовк Р.В., Бондаренко О.В. Зміна вимірності флуктуаційної пара провідності в ab-площині монокристалів ReBa₂Cu₃O_7- (Re=Y,Ho) стехіометричного складу при температурах вище критичної // Вісник Донецького університету. -2005. -Сер.А: Природничі науки, № 2, -С. 171-174.

10. Obolenskii M.A., Vovk R.V., and Bondarenko A.V. Effect of twin boundaries on scattering processes of normal and fluctuating carriers in Y₁Ba₂Cu₃O_7- single crystals.// Functional Materials. -2006. -Vol. 13, №1. -Р. 35-38.

11. Bondarenko A.V., Vovk R.V., Obolenskii M.A., and Chebotaev N.N. Effect of oxygen deficit on temperature dependence of excess conductivity in Y₁Ba₂Cu₃O_7- single crystals // Functional Materials. -2006. -Vol. 13, №2. -Р. 245-248.

12. Оболенский М.А., Вовк Р.В., Бондаренко А.В., Самойлов А.В. Влияние плоских дефектов и высокого давления на флуктуационную проводимость монокристаллов Y₁Ba₂Cu₃O_7- оптимального состава // ФТВД. -2006. -Т. 16, №1. -С. 56-63.

13. Obolenskii M.A., Vovk R.V., Bondarenko A.V., and Chebotaev N.N. Localization effects and pseudogap state in YBa₂Cu₃O_7-d single crystals with different oxygen content // ФНТ. -2006, -Т.32, №6, -С. 746-752.

14. Smith D.H.S., Vovk R.V., Williams C.D.H., and Wyatt A.F.G. Interactions between phonon sheets in superfluid helium // New Journal of Physics. -2006. -Vol.8, №8. -Р. 128 (1-19).

15. Obolenskii M.A., Vovk R.V., Bondarenko A.V., and Goulatis I.L. Conductivity anisotropy and pseudogap state evolution in HoBa₂Cu₃O_7- single crystals of a preset flat defect topology at decreasing oxygen concentration // Functional Materials. -2006. -Vol.13, №4. - Р. 645-651.

16. Оболенский М.А., Вовк Р.В., Бондаренко А.В. О влиянии высокого давления на флуктуационную проводимость монокристаллов Y₁Ba₂Cu₃O_7- с дефицитом кислорода // ФНТ. -2006. -Т.32, №6. -С. 802-805.

17. Оболенский М.А., Вовк Р.В., Бондаренко А.В. Эволюция псевдощелевого состояния в слабо допированных празеодимом монокристаллах Y_1-zPr_zBa₂Cu₃O_7-x с заданной топологией плоских дефектов // ФНТ. -2006. -Т.32, №12. -С. 1488-1492.

18. Вовк Р.В. Пригнічення надпровідності на двійникових межах в монокристалах YВа₂Сu_зО_7-х з нестачею кисню // Вісник Донецького університету. -2006. -Сер.А: Природничі науки, №2. -С. 378-380.

19. Вовк Р.В., Оболенский М.А., Бондаренко А.В. Перераспределение носителей в недодопированных кислородом монокристаллах Y₁Ba₂Cu₃O_7- при воздействии высокого гидростатического давления // ФНТ. -2007. Т.33, №1, -С. 126-130.

20. Вовк Р.В., Оболенський М.О., Завгородній А.А., Бондаренко О.В., Ревякіна М.Г., Чеботаєв Н.Н. Вплив дефіциту кисню на анізотропію нормального транспорту в монокристалах YВа₂Сu_зО_7-х // «Вісник ХНУ» серія фізична "Ядра, частинки, поля". -2006. -№ 744, Вип.3 (31). - С. 94-96.

21. Vovk R.V., Obolenskii M.A., and Bondarenko A.V. Excess conductivity and pseudogap state in YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-d single crystals with a system of unidirectional twin boundaries // Functional Materials. -2007. -Vol.14, №1. -Р. 32-36.

22. Вовк Р.В., Оболенский М.А., Завгородний А.А., Бондаренко А.В., Ревякина М.Г. Анизотропия нормального электросопротивления и подавление сверхпроводимости на двойниковых границах в монокристаллах НоВа₂Сu₃О_7- с различным содержанием кислорода // ФНТ. -2007. -Т.33, №5. -С. 546-551.

23. Vovk R.V., Obolenskii M.A., Bondarenko A.V., Goulatis I.L., and Chroneos A.I. Excess conductivity of Y_0.95Pr_0.05Ba₂Cu₃O_7-x single crystals // Acta Physica Polonica A. -2007. -Vol. 111, №1. - Р. 129-133.

24. Вовк Р.В. Вплив поперечного магнітного поля на флуктуаційну пара провідність легованих алюмінієм монокристалів YBa₂Cu_3-zAl_zO_7- з заданою топологією двійникових меж // «Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна» серія фізична "Ядра, частинки, поля". -2007, - № 763, Вип.1 (33). - С. 97-101.

25. Vovk R.V., Obolenskii M.A., Zavgorodniy A.A., Bondarenko A.V., Goulatis I.L., Chroneos A.I. Excess conductivity and pseudo-gap state in YBCO single crystals slightly doped with Al and Pr // J Mater Sci: Mater in Electron. -2007. Vol.18. -P. 811-815.

26. Chroneos A.I., Goulatis I.L., and Vovk R.V. Atomic scale models for RBa₂Cu₃O_6.5 and R_1-XPr_XBa₂Cu₃O_6.5 compounds (R= Y and Lanthanides) // Acta Chim. Slov. -2007. -Vol.54. -Р. 179-184.

27. Вовк Р.В., Оболенский М.А., Завгородний А.А., Бондаренко А.В., Гулатис И.Л., Чеботаев Н.Н. Влияние перераспределения лабильного кислорода на псевдощелевое состояние в бездвойниковых монокристаллах YВа₂Сu_зО_7-х // ФНТ. -2007. -Т.33, №8. - С. 931-934.

28. Оболенский М.А., Бондаренко А.В., Вовк Р.В., Самойлов А.В. Влияние давления на перераспределение лабильной компоненты между фазами в монокристаллах YBaCuO. // Материалы 5-й международной конференции "Физические явления в твердых телах".-Харьков- 2001.-С.23.

29. Adamenko I.N., Nemchenko K.E., Slipko V.A., Vovk R.V., Williams C.D.H., Wyatt A.F.G. The temporal and spatial evolution of phonon pulses in liquid helium.// 2 International conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems. –Kyiv-2003. -Abstracts, Р.153.

30. Vovk R. V., Williams C.D.H., Wyatt A.F.G. Creation of a Hot Line in Liquid ⁴He. // QFS 2003: Quantum Fluids and Solids International Symposium the University of New Mexico Albuquerque, NM, USA, 3-8 August 2003. -Abstracts Р.67.

31. Obolenskii M.A., Bondarenko A.V., Vovk R.V., Goulatis I.L. The effect of substitution by elements and variation of the oxygen content on superconductivity transition and T_c of YBaCuO single crystals // IVTN-2003. -Moscow, October 2003, Collected scientific works. - Part 2, Р.54.

32. Obolenskii M.A., Vovk R.V., Bondarenko A.V. Some features of baric dependences of critical temperature of YBaCuO and diselenide niobium compounds with a different degree of deviation from stehiometry // IVTN-2004. -Moscow, November 2004, Collected scientific works. - Part 2, Р.63.

33. Obolenskii M.A., Vovk R.V., Bondarenko A.V. Syntesis and physical properties of YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-d and Y_1-zPr_zBa₂Cu₃O_7-d single crystals // ICCM-2005, Kharkov, Institute for Single Crystals, Abstract book-2005, Р.131.

34. Бондаренко А.В., Вовк Р.В., Оболенский М.А., Чеботаев Н.Н. Температурная зависимость флуктуационной парапроводимости монокристаллов Y₁Ba₂Cu₃O_7- полученная из резистивных измерений по мере удаления кислорода путем термообработки // Материалы 7-й международной конференции "Физические явления в твердых телах". -г. Харьков, 14-15 декабря 2005, С.113.

35. Obolenskii M.A., Vovk R.V., Bondarenko A.V., Samoilov A.V. Using of IТ-methods for researches of paraconductivity YBaCuO single crystals under high pressure // IVTN-2005, Moscow, November 2005, Collected scientific works, Р.46.

36. Вовк Р.В., Адаменко И.Н., Немченко К.Е., Слипко В.А., Smith D.H.S., Williams C.D.H., Wyatt A.F.G. Влияние давления на формирование горячей линии в He-II // Тезисы докладов международной конференции «Физика конденсированного состояния при низких температурах» посвященной 100-летию со дня рождения академика НАНУ Б.Г.Лазарева. -2006. -Харьков. -С.19-22.

37. Chroneos A., Goulatis I.L., Vovk R.V., Obolenskii M.A., Bondarenko A.V., Kelaidis N. Intrinsic defect mechanisms and dopant substitution in RBa₂Cu₃O_6.5 (R=Y, Al and Ho).// EMRS-2006, 4^th-8^th September, Warszawa-2006, Book of Abstracts, P.242-243.

38. Chroneos A., Goulatis I.L., Vovk R.V., Obolenskii M.A., Bondarenko A.V., Kelaidis N. Defect chemistry and clustering in Y_1-xPr_xBa₂Cu₃O_6.5 // EMRS-2006, 4^th-8^th September, Warszawa-2006, Book of Abstracts, P.243.

39. Chroneos A.I., Goulatis I.L., Panchenko S.V., Vovk R.V. Computer simulation of the atomic scale of Y_1-xPr_xBa₂Cu₃O_6.5 compounds // IVTN-2006, Moscow, Collected scientific works, Р.46.

40. Vovk R.V., Obolenskii M.A., Zavgorodniy A.A., Bondarenko A.V., Goulatis I.L., Chroneos A.I. Double AL-MT-LD crossover in ReBa₂Cu₃O_7- (Re=Y, Ho) single crystals // IVTN-2006, Moscow, Collected scientific works, Р.52.

41. Вовк Р.В., Оболенский М.А., Завгородний А.А., Бондаренко А.В. Анизотропия продольного и поперечного транспорта в монокристаллах НоВа₂Сu₃О_7- с различным содержанием кислорода // Тезисы докладов международного Юбилейного Семинара «Современные проблемы физики твердого тела» посвященного памяти члена-корреспондента НАН Украины Э.А. Канера и 50-летию открытия циклотронного резонанса в металлах. -г. Харьков-2006. -С.32-34.

42. Chroneos A.I., Busker G., Goulatis I.L., Vovk R.V., Obolenskii M.A., Bondarenko A.V., Petrenko A.G. Mixed Bixbyite Oxides as Lattice Match Buffer Layers for Superconductors./ Мезо-2007, г. Донецк, Тезисы докладов, С.40.

43. Vovk R.V., Obolenskii M.A., Petrenko A.G., Bondarenko A.V., Zavgorodniy A.A., Goulatis I.L., Chroneos A.I. Excess conductivity of YBa₂Cu_2.95Al_0.05O_7- single crystals.// Мезо-2007, г. Донецк, Тезисы докладов, С.43.