Анотація до роботи:

Майданов В.А. Кінетичні процеси в двофазних твердих розчинах ³Не-⁴Не. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.09 - Фізика низьких температур. На правах рукопису. Фізико-технічній інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2003.

В дисертації представлені результати систематичних досліджень кінетичних процесів в двофазних твердих розчинах ізотопів гелію при наднизьких температурах. За допомогою методу ЯМР уперше отримано відомості щодо коефіцієнту спінової дифузії ³Не у твердих включеннях ³Не в матриці ⁴Не у широкій області температур 16 – 90 мК. Застосування методу обмеженої дифузії дозволило визначити діаметр твердих включень ³Не, що складає 4,5 ± 0,5 мкм. При застосуванні мотодики прецизійного вимірювання тиску була спостережена нова квантова система, передбачена Андреєвим та Пушкаровим, нанокластери, що складаються з вакансії, яку оточують атоми ⁴Не в неупорядкованій матриці ³Не. При дослідженні слабких твердих розчинів ³Не в ⁴Не отримано дані щодо ефективної масової дифузії атомів ³Не в кристалі. Спостережено швидкий недифузійний перенос речовини в кристалі і запропоновоно модель багатоступінчатого розчинення включень ³Не, що якісно пояснює усі отримані результати. Вивчено динамику росту та розчинення рідких крапель ³Не у твердому ⁴Не. Створену нову оригінальну експериментальну базу для фізичних досліджень при наднизьких температурах.

В дисертації узагальнені результати експериментальних досліджень нових кінетичних процесів у двофазних твердих розчинах ³Не - ⁴Не при наднизьких температурах. В ході виконання роботи розроблена і створена експериментальна база для фізичних досліджень при наднизьких температурах, що містить у собі

рефрижератор розчинення з адсорбційною відкачкою на рівень температур ~ 10 мК;

унікальний потужний економічний рефрижератор розчинення з гібридною системою циркуляції, що дозволяє одержувати температури до 5 мК;

кристалізаційний термометр, що має надійну конструкцію і забезпечує точний вимір температур у мілікельвіновому діапазоні;

шумовий термометр для лабораторної практики з робочим діапазоном від 0,3 мК до 4,2 К;

пристрій, що дозволяє реалізувати надплинний перехід у рідкому ⁴Не як низькотемпературну реперну точку з високим рівнем точності.

Створення такої експериментальної бази дозволило вперше систематично досліджувати кінетичні властивості і знайти нові явища в квантових кристалах гелію. Серед представлених у дисертаційній роботі результатів найбільш важливими є такі:

1. Вперше з високою точністю одержані дані про коефіцієнт спінової дифузії у твердих включеннях ³Не в розшарованих твердих розчинах в широкому температурному інтервалі 90–16 мК. Показано, що одержане значення коефіцієнта спінової дифузії добре узгоджується з даними для об'ємного ³Не.

2. За допомогою методу спінової дифузії в обмеженій геометрії визначені розміри твердих включень ³Не у розшарованому розчині ³Не - ⁴Не. З аналізу даних випливає, що діаметр таких включень складає = 4,5 ± 0,5 мкм. Цей результат особливо важливий при аналізі кінетичних процесів, що відбуваються в процесі фазового розшарування.

3. Виявлено нову температурну залежність часів спін-граткової релаксації в рідких краплях розшарованого твердого розчину ³Не - ⁴Не. Показано, що поряд з температурною залежністю , характерною для об'ємного рідкого ³Не, присутній також внесок, що визначається впливом границі між рідким ³Не і твердим ⁴Не.

4. Показано, що постійна часу, пов'язана з ростом включень ³He, має немонотонну температурну залежність, зростаючи при низьких температурах. Така поведінка, очевидно, свідчить про помітне обмеження квантової дифузії за рахунок пружних полів, що виникають у кристалі при розшаруванні.

5. Виявлено аномально швидкий перенос речовини в кристалі при розчиненні включень ³He в умовах сильної нерівноважності і встановлено його пороговий характер.

6. Запропоновано модель багатоступінчатого розчинення включень ³He, що враховує наявність напруженого шару поблизу границі включення, утвореного за рахунок різниці молярних об’ємів обох фаз, і можливість його руйнування в процесі розчинення ⁴He у кластерах ³He.

7. Вивчено кінетику плавлення і кристалізації включень ³He за рахунок зміни температури. Встановлено, що повторна кристалізація розплавлених включень викликає великий градієнт тиску поблизу границі включень, що сильно пригнічує квантову дифузію і може приводити до неповної кристалізації включень.

8. Проведені експерименти дозволили встановити, що на кінетику рідких крапель концентрованої фази, що утворюються в кристалічній матриці розведеної фази, істотний вплив чинять великі напруги, які виникають за рахунок великої різниці молярних об’ємів фаз і приводять до пластичної деформації матриці.

9. Вперше виявлено незвичайну поведінку тиску в розшарованому слабкому твердому розчині ⁴He у ³He при циклуванні температури і показана можливість кількісного пояснення знайдених особливостей у рамках гіпотези Андрєєва - Пушкарова про утворення в розчині кластерів чистого ⁴He навколо метастабільних вакансій, що виникають у процесі гомогенізації.

Публікації автора:

1. Майданов В.А., Михин Н.П., Омелаенко Н.Ф., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Чаговец В.К., Михеев В.А., Мохандас П., Кавн Б.Р., Сондерс Дж. Рефрижератор растворения непрерывного действия с адсорбционной откачкой // ФНТ. – 1993. – Т. 20, № 7. - С. 672-679.

2. Mohandas P., Cowan B.P., Sauders J., Chagovets V.K., Lukashev V.N., Maidanov V.A., Mikhin N.P., Omelaenko N.F., Rudavskii E.Ya., Mikheev V.A. Continuosly operating cryogenic cycle dilution refrigerator // Physica B. – 1994. – Vol. 194-196. - P. 55-56.

3. Дикина Л.С., Иванцов В.Г., Картель Н.Т., Лукашев В.Н., Майданов В.А., Михеев В.А. Адсорбция гелия синтетическими активированными углями при температуре жидкого гелия // ФНТ. – 1989. – Т.15, № 5. - С. 532-535.

4. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Михайлов Г.А., Михеев В.А., Омелаенко Н.Ф., Пензев А.А., Репин В.Н., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Токарь Ю.А., Шилин В.А Автоматизированный комплекс для физических исследований квантовых кристаллов в милликельвиновой области температур // ФНТ.- 2001. - Т.27, № 7. - С. 799-810.

5. Михеев В.А., Мовсесян Г.Р., Бабаян К.З., Мина Р.Т., Майданов В..А., Михин Н..П., Чаговец В.К., Шешин Г.А. Кристаллизационный термометр с генератором на туннельном диоде для измерения сверхнизких температур // ПТЭ. - 1989. - № 1. - С. 226-227.

6. Mихин Н.П., Майданов В.А., Полев А.В. Спин-решеточная релаксация в ОЦК фазе расслоившихся твердых растворов ³Не - ⁴Не // ФНТ. – 2002. – Т. 28, № 4. – С. – 344-348.

7. Kingsley S.C.J., Maidanov V., Saunders J., Cowan B. NMR study of solid ³He droplets in phase-separated ³He-⁴He mixtures // J. Low Temp. Phys. – 1998. – Vol. 113, N 5/6. – P. 1017-1023.

8. Kingsley S.C.J., Kosarev I., Roobol L., Maidanov V., Saunders J., Cowan B. NMR study of ³He bubbles in phase-separated solid ³He - ⁴He mixtures // J. Low Temp. Phys. – 1998. – Vol. 110, N 1/2. – P. 399-404.

9. Ганьшин А.Н., Майданов В.А., Омелаенко Н.Ф., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С. Исследование кинетики фазового разделения твердых растворов ³Не в ⁴Не с помощью прецизионных измерений давления // ФНТ. - 1998. - T. 24, N 9. - С. 815-822.

10. Ганьшин А.Н., Майданов В.А., Омелаенко Н.Ф., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С. Аномально быcтрый переноc вещеcтва в процеccе гомогенизации твердых клаcтеров ³He в раccлоившемcя раcтворе ³He-⁴He // ФНТ. - 1998. - T. 24, N 11. - С. 117-1120.

11. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Omelaenko N., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A. Influence of temperature cycling on the kinetics of new phase growth in two-phase solid ³He - ⁴He mixtures // Physica B. - 2000. - Vol. 284-288. - P. 369-370

12. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Омелаенко Н.Ф., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С. Немонотонная температурная зависимость скорости массопереноса при изотопическом фазовом расслоении твердых растворов ³Не - ⁴Не // ФНТ. - 1999. - T. 25, N 4. - С. 356-361.

13. Rudavskii E., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Omelaenko N., Penzev A., Rybalko A. New features of mass transport during isotopic phase separation of solid ³He - ⁴He mixtures // Physica B. - 2000. - Vol. 284-288. - P.367-368.

14. Ganshin A., Maidanov V., Omelaenko N., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A. Phase separation kinetics of solid ³He-⁴He mixtures // J. Low Тemp. Phys. - 1998. - Vol. 113, N 5/6. - P.1011-1016.

15. Майданов В.А. Особенности кинетики фазового разделения твердых растворов ³Не - ⁴Не при различных пересыщениях // ФТТ. - 1999. - T. 41, N 11. - С. 2062-2064.

16. Gan’shin A.N., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Omelaenko N.F., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S. Threshold effect during dissolution of ³He inclusions in solid ⁴He // J. Low Temp. Phys. - 1999. - Vol. 116, N 5/6. - P. 349-357.

17. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Омелаенко Н.Ф., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Токарь Ю.А. Кинетика роста и растворения включений ³Не в расслоившихся твердых растворах ³Не в ⁴Не // ФНТ. - 1999. - Vol. 25, N 8/9. - C. 796-814.

18. Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Mikhin N., Penzev A., Polev А., Rudavskii E., Rybalko A. Properties of solid ³He inclusions embedded in crystalline ⁴He matrix at ultralow temperatures // ФНТ. - 2000. - Т. 26, № 9/10. - P.884-888.

19. Rudavskii E., Ganshin A., Grigor'ev V., Maidanov V., Omelaenko N., Penzev A., Rybalko A. Melting and crystallization of ³He inclusions in two-phase solid ³He-⁴He mixtures // J. Low Temp. Phys. - 2000. - Vol. 121, N 5/6. - P. 713-718.

20. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С. Рост и растворение жидких капель ³Не в кристаллической матрице ⁴Не // ФНТ. - 2000. - Т. 26, № 6, C. 550-556.

21. Maidanov V., Grigor’ev V., Penzev A., Ganshin A., Rudavskii E., Rybalko A. Phase separation line for solid mixtures of ³He in ⁴He // J. Low Тemp. Phys. - 2001. - Vol. 122, N 5/6. - P.475-479.

22. Penzev A., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Rudavskii E., Rybalko A., Slezov V., Syrnikov Ye. Influence of supercooling level on kinetics of phase separation in solid mixtures of ⁴He in ³He // J. Low Temp. Phys. - 2002. - Vol. 126, N 1/2. - P.151-156.

23. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Сырников Е.В. Наблюдение вакансионных кластеров Андреева-Пушкарова в распавшихся твердых растворах ⁴Не в ³Не // Письма в ЖЭТФ. - 2001. - T. 73, в. 6. - C. 329-333.

24. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov E. Formation of vacancion-impurity complexes in phase-separated solid mixtures of ⁴He in ³He // J. Low Тemp. Phys. - 2002. - Vol. 126, N 1/2. - P.133-138.

25. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Сырников Е.В. О влиянии малых примесей ⁴Не на кривую плавления ³Не // ФНТ. - 2001. - Т. 27, № 6. - С. 690-692.

26. Li J., Maidanov V.A., Dyball H., Lusher C.P., Cowan B.P., Saunders J. Current sensing noise thermometry for milikelvin temperatures using a DC SQUID // Physica B. - 2000. - Vol. 284-288. - P. 544-545.

27. Lusher C.P., Li J., Maidanov V.A., Digby M.E., Dyball H., Casey A., Nyeki J., Dmitriev V.V., Cowan B. Saunders J. Current sensing noise thermometry using a low T_c DC SQUID preamplifier // Meas. Sci. Technol. - 2001. - Vol. 12, N1 -P. 1-15.

28. Maidanov V.A., Engert J., Fellmuth B. Thermal parameters of a sealed lambda-point cell developed at PTB // Bureau International des Poids et Measures, Comite Consultatif de Thermometrie, 20^th meeting, Document CCT/01-01. - 2001. - P. 1-11.

29. А.с. 1413383 СССР МКИ F 25 B 9/02, F 25 J 1/02. Способ получения сверхнизких температур/его варианты/ и установка для его осуществления/ее варианты / В.А. Михеев, В.А. Майданов, Н.П. Михин, В.Н.Репин (СССР). - № 3771603/23-06; Заявлено 20.07.84; Опубл. 30.07.1988, Бюл. № 28. – 5 с.

30. Дикина Л.С., Иванцов В.Г., Картель Н.Т., Лукашев В.Н., Майданов В.А., Михеев В.А. Применение новых адсорбентов в технике низких и сверхнизких температур // Тезисы докладов 1V Республиканского семинара по физике и технике СНТ. - Донецк. - ДонФТИ, - 1989.

31. Mohandas P., Cowan B.P., Saunders J., Chagovets V.K., Maidanov V.A., Mikhin N.P., Rudavskii E.Ya., Mikheev V.A. Continuously operating cryogenic cycle dilution refrigerator // Proc. 20 International Conf. Low Temp. Phys. (LT-20). - USA. - 1993.- P. 531-539.

32. Lusher C.P., Cowan B., Maidanov V.A., Saunders J. Current sensing noise thermometry using a DC SQUID // Proc. ISEP 97 PTB. - Berlin (Germany). - 1997. - P. 417-419.

33. Майданов В.А., Михин Н.П., Омелаенко Н.Ф. Оcобенноcти времени cпин- решеточной релакcации в процеccе фазового раccлоения твердых раcтворов ³He - ⁴He // Труды XXXI cовещания по физике низких температур. - Моcква. - 1998.

34. Ganshin A.N., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Omelaenko N.F., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S. Study of separation kinetics of ³He - ⁴He solid mixtures by precision pressure measurements // Proc. International symposium on ultralow temperature physics. - St. Petersburg. - 1999. - P. 15

35. Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Omelaenko N., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A. Kinetics of ³He inclusions in phase-separated ³He - ⁴He solid mixtures // Proc. 18^th General Conference of the Condenced Matter Division. - Montreux (Switzerland). - 2000. - P . 94.

36. Rudavskii E., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Penzev А., Omelaenko N., Rybalko A. Melting and Crystallization of ³He Inclusions in Two-phase Solid ³He - ⁴He mixtures // Proc. International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2000. - Minnesota (USA). - 2000. - P. 7-15.

37. Smith A., Maidanov V., Saunders J., and Cowan B. Phase Separation in Solid Isotopic Helium Mixtures // Proc. International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2000. - Minnesota (USA). - 2000. - P. 9-36.

38. Dyball H., Casey A., Maidanov V., Cowan B., Digby M., Dmitriev V., Junyun Li, Lusher C., Nyeki J., and Saunders J. Noise thermometry from 1 K to 1mK // Proc. International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2000. - Minnesota (USA). - 2000. - P. 10-33.

39. Penzev A., Ganshin A., Maidanov V., Grigor’ev V., Omelaenko N., Rudavskii E., Rybalko A. Phase Separation Kinetics of Solid ³He - ⁴He Mixtures // Proc. Third International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals. - Szklarska Poreba (Poland). - 2000. - P. 124-125.

40. Penzev A., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Rudavskii E., Rybalko A. Growth and Dissolution Features of ³He Liquid Droplets in ⁴He Solid Matrix // Proc. Third International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals. - Szklarska Poreba (Poland). - 2000. - P. 110-111.

41. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С. Плавление и повторная кристаллизация твердых включений ³Не в кристаллической матрице ⁴Не // Труды 32 Всероссийского совещания по физике низких температур. Тезиcы докл. - Казань. - 2000, С. 39-40.

42. Penzev A., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov Ye. Formation of vacancion-impurity complexes in phase-separated solid mixtures of ⁴He in ³He // Proc. International symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2001. - Konstanz (Germany). – 2001. – P. 29.

43. Maidanov V., Ganshin A., Penzev A., Grigor’ev V., Rudavskii E., Rybalko A., Slezov V., Syrnikov Ye. Influence of supercooling level over kinetics of phase separation in solid mixtures of ⁴He in ³He // Proc. International symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2001. - Konstanz (Germany). – 2001. – P. 30.

44. Penzev A., Ganshin A., Grigor’ev V., Maidanov V., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov Ye. Influence of small ⁴He impurities over melting curve of ³He // Proc. International symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2001. - Konstanz (Germany). – 2001. – P. 54.

45. Ganshin A.N., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S., Syrnikov Ye.V. The solidification curve of liquid ³He with small impurities of ⁴He // Proc. Abstracts of international conference “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”. - Kiev (Ukraine). - 2001. - P. 171.

46. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov Ye. Formation of complexes (vacancion + impurity cluster) in phase-separated solid mixtures of ⁴He in ³He // Материалы 5-й Международной конференции «Физические явления в твердых телах». – Харьков (Украина). – 2001. - С. 68.

47. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A., Slezov V., Syrnikov Ye. Kinetics of Phase Separation in Solid Mixtures of ⁴He in ³He at Various Supercooling Level // Proc. 19^th General Conference of the EPS Condensed Matter Division held jointly with CMMP2002 – Condensed Matter and Materials Physics. - Brighton (UK). – 2002. - Europhysics Conference Abstracts. - Vol. 26A. - P. 160.

48. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov Ye. Features of Phase Separation in Dilute Solid Mixtures of ⁴He in ³He // Proc. 19^th General Conference of the EPS Condensed Matter Division held jointly with CMMP2002 – Condensed Matter and Materials Physics. - Brighton (UK). – 2002. - Europhysics Conference Abstracts. - Vol. 26A. - P. 161.

49. Maidanov V.A., Smith A., Rudavskii E.Ya., Grigor’ev V.N., Slezov V.V., Saunders J., Cowan B. Phase separation in solid helium-3 – helium-4 mixtures – comparison with theory of homogeneous nucleation // Proc. 19^th General Conference of the EPS Condensed Matter Division held jointly with CMMP2002 – Condensed Matter and Materials Physics. - Brighton (UK). – 2002. - Europhysics Conference Abstracts. - Vol. 26A. - P. 161.