Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и

Институт физических проблем им. П. Л. Капицы

Российской академии наук

На правах рукописи

УДК 536.7

ШЕМЯТИХИН ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ ГЕЛИЯ-4

01.04.09 – Физика низких температур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2013

Работа выполнена в ИФП РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН К. О. Кешишев.

Официальные оппоненты: Заместитель директора ИФТТ РАН, доктор физико-математических наук Александр Алексеевич Левченко, Ведущий научный сотрудник ИФТ, доктор физико-математических наук Сергей Евгеньевич Коршунов

Ведущая организация: Кафедра физики низких температур и сверхпроводимости МГУ

Защита диссертации состоится 15 мая 2013 г. в 11:30 на заседании диссертационного совета Д.002.103.01 при Институте физических проблем им.

П. Л. Капицы РАН по адресу: Российская Федерация, 119334, Москва, ул.

Косыгина, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН.

Автореферат разослан 5 апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Людмила Андреевна Прозорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Экспериментальное исследование равновесных свойств поверхности подавляющего большинства веществ является практически невыполнимой задачей из-за трудности получения объекта исследования равновесной поверхности кристалла.

Твердый гелий во многих отношениях является уникальным объектом для изучения свойств кристаллической поверхности. У него отсутствует большинство барьеров, связанных с кристаллизацией. Во-первых, благодаря квантовым эффектам, кинетический коэффициент роста кристалла при низких температурах становится аномально большим для всех направлений за исключением нескольких выделенных. Во-вторых, при достаточно низкой температуре кристалл окружен сверхтекучей жидкостью, которая может бездиссипативно переносить массу. И в-третьих, мала теплота кристаллизации. В итоге кристалл 4 He может принять равновесную форму очень быстро, в ряде случаев за времена порядка секунд. Исследуя форму таких образцов, возможно оценить поверхностную энергию кристалла.

В диссертации применен оптический метод измерения энергии ступени на грани (0001) кристалла 4 He, предложенный Марченко и Паршиным [1].

Метод основан на измерении зависимости краевого угла от угла наклона стенки. Полученная величина хорошо согласуется с более ранними данными, полученными с помощью измерения спектра кристаллизационных волн при T 50, где расчетная кривая проходит существенно выше. Это расхождение можно ликвидировать, если предположить, что энергия кристалл-стенка s анизотропна, то есть зависит от угла наклона стенки (который отсчитывается от оси C6 кристалла).

Учесть неизотропность поверхностной энергии кристалл-стенка можно следующим образом. График () можно построить из графика 0 () всего с одной неизвестной величиной. Полученная зависимость приведена на рис. 7. Светлые и темные точки соответствуют двум сериям данных при 0,90 К и 0,61 К соответственно. Параметр разный для двух серий. Тот факт, что две различные серии, полученные для двух различных кристаллов при разных температурах, легли на одну кривую, свидетельствует о том, что величина уже достигла своего значения при нуле температуры. Эта кривая была параметризована как () = 0,128 0,013 cos 2 + 0,022 cos 4 (10) в единицах эрг/см2.

De, э / м 0, 0, 0, 0, 0, Рис. 7: Зависимость разницы энергии кристалл-стенка и жидкость-стенка от кристаллографической ориентации. Светлыми и темными кружками обозначены данные 0,90 К и 0,61 К соответственно.

С помощью полученной параметризации были вычислены значения параметра для всех экспериментальных серий. Полученные расчетные кривые проведены сплошными линиями на рис. 6. Несмотря на небольшую величину анизотропии энергии кристалл-стенка, полученные значения отличаются от оцененных из ширины плато + на 30% в меньшую сторону.

На рис. 8 представлен график температурной зависимости вычисленного параметра (сплошными кружками). Крестиком обозначена точка, полученная нами ранее [10] на криостате до переделки. На тот же график нанесены данные работы [2], полученные из измерения спектра кристаллизационных волн, а также данные [3], полученные их измерения скорости роста грани (0001). Следует отметить, что нами был измерен коэффициент при линейном члене || в разложении поверхностной энергии в той области углов, где поверхностная жесткость уже практически не зависит от кристаллографичеb/h, э / м Рис. 8: Зависимость (T )/h. Темные кружки данные [11], крестик предварительный рузультат [10], светлые кружки и треугольники значение энергии ступени, измеренные в работах [2] и [3] соответственно.

ской ориентации.

Полученные результаты опубликованы в следующих работах.

Статьи:

1. К. О. Кешишев, В. Н. Сорокин, Д. Б. Шемятихин. Критическое поведение мениска в кристаллах гелия-4. Письма в ЖЭТФ, 85, 213 (2007).

2. K. O. Keshishev, D. B. Shemyatikhin, Contact Angle Singularity in 4 He Crystals.

J. Low Temp. Phys., 150, 282, (2008).

3. Кешишев К. О., Марченко В. И., Шемятихин Д. Б., Исследование поверхности кристаллов 4 He. ЖЭТФ, 134 (2013).

Доклады на конференциях:

1. 49-я конференция МФТИ, Москва, ноябрь 2006. Доклад: К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Капиллярные явления в кристаллах 4 He.

2. 34-e совещаниe по физике низких температур, Сочи, сентябрь 2006.

Стендовый доклад: К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Капиллярные явления в кристаллах 4 He.

3. Международная конференция QFS-2007, Казань, август 2007, содокладчик. Доклад: К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Contact Angle Singularity in 4 He Crystals.

4. 50-я конференция МФТИ, Москва, ноябрь 2007. Доклад: К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Капиллярные явления в кристаллах 4 He.

5. Международная конференция LT-25, Амстердам, август 2008. Доклад:

К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Contact Angle Singularity in 4 He Crystals.

6. Международная студенческая конференция CryoConference-2008, Мадрид, сентябрь 2008. Стендовый доклад К. О. Кешишев, Д. Б. Шемятихин, Contact Angle Singularity in 4 He Crystals.

Список литературы 1. Марченко В. И., Паршин А. Я., New possibilities in crystal morphology. // Письма в ЖЭТФ, 83, 485 (2006).

2. Rolley E., Guthmann C., Chevalier E., and Balibar S., The Static and Dynamic Properties of Vicinal Surfaces on 4 He Crystals. // Journal of Low Temp. Phys. 99, 851 (1995).

3. Wolf P. E., Gallet F., Balibar S., Rolley E., Nozie‘res P., Crystal growth and crystal curvature near roughening transitions in hcp 4 He. // Journal de Physique 46, 1987 (1985).

4. Марченко В. И., Паршин А. Я., Об упругих свойствах поверхности кристаллов. // ЖЭТФ 79, 257 (1980).

5. Воронков В. В., Об угловой зависимости свободной поверхностной энергии кристалла. // Кристаллография, 12, 831 (1967).

6. Gruber E. E. and Mullins W. W., On the theory of anisotropy of crystalline surface tension. // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 28, 875 (1967).

7. Андреева О. А., Кешишев К. О., Осипьян С. Ю., Анизотропия коэффициента роста и поверхностной жесткости кристаллов 4 He. // Письма в ЖЭТФ, 49, 661 (1989) 8. Кешишев К. О., Паршин А. Я., Бабкин А. В., Кристаллизационные волны в 4 Не // ЖЭТФ, 80, 716 (1981).

9. Andreeva O. A., Keshishev K. O., Solid-Superuid 4 He Interface. // Physica Scripta, T39, 352 (1991).

10. Кешишев К. О., Сорокин В. Н., Шемятихин Д. Б., Критическое поведение мениска в кристаллах гелия-4. // Письма в ЖЭТФ, 85, 213 (2007).

11. Кешишев К. О., Марченко В. И., Шемятихин Д. Б., Исследование поверхности кристаллов 4 He. // ЖЭТФ, 143, 674, (2013).