Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ - слабо затухающие колебания границы раздела квантовый кристалл - сверхтекучая квантовая жидкость, обусловленные периодич. плавлением и кристаллизацией. К. в., распространяющиеся вдоль границы раздела, экспериментально наблюдались в ⁴ Не. Механизм возникновения К. в. состоит в следующем: в равновесии квантовый кристалл имеет определ. форму, обеспечивающую минимум свободной энергии его поверхности; любое отклонение формы кристалла от равновесной приводит к увеличению поверхностной энергии. Поэтому любая неравновесная форма кристалла будет изменяться за счёт кристаллизации или плавления так, чтобы поверхностная энергия уменьшалась. С др. стороны, вследствие разности плотностей двух фаз рост и плавление кристалла вызывают движение жидкости, т. е. увеличение кине-тич. энергии системы. В результате поверхность будет испытывать слабо затухающие колебания, во многом сходные с обычными капиллярными волнами на границе раздела жидкости и газа (см. Капиллярные явления). В частности, К. в. характеризуются таким же, как и капиллярные волны, законом дисперсии: (- частота колебаний, k - волновой вектор). Отличие состоит в том, что в случае К. в. движение границы целиком обусловлено периодич. плавлением и кристаллизацией, а в объёме кристалл остаётся неподвижным и недеформированным. Это свойство позволяет также отличить К. в. от упругих поверхностных волн.

Для существования К. в. необходимо, чтобы полная диссипация энергии, сопровождающая кристаллизацию и плавление, была достаточно мала. В обычных классич. кристаллах это условие не выполняется, и процесс установления равновесной формы носит апериодич. характер. В случае границы сверхтекучая квантовая жидкость - квантовый кристалл (поверхность кристалла ⁴ Не) возникновение К. в. оказывается возможным, если темп-pa Т достаточно низка (гораздо ниже -точки) и если поверхность кристалла находится в особом квантово-шероховатом состоянии, являющемся квантовым аналогом классич. атомно-шероховатого состояния (см. Кристаллизация).

Квантово-шероховатое состояние (как и классическое) характеризуется большим кол-вом термодинамически равновесных дефектов поверхности (ступеней и изломов на ступенях). Основное отличие состоит в том, что в квантовом случае изломы на ступенях ведут себя как квазичастицы ( см. Дефектoн), т. <е. их движение, а следовательно и движение самих ступеней, практически не сопровождается диссипацией энергии. Поэтому рост и плавление кристалла с квантово-шероховатой поверхностью, обусловленные, как и в классическом случае, именно движением изломов и ступеней, могут происходить практически бездиссипа8тивно.

Кристаллизационная волна на поверхности кристалла ⁴ Не при Т = 0,5К, возникшая в результате удара по наружной стенке криостата.

Бездиссипативность означает, что кристалл может расти и плавиться с весьма большими скоростями уже при ничтожных внеш. воздействиях. Так, кристаллы ⁴ Не размером 1 см с квантово-шероховатой поверхностью при T<1 К принимают равновесную форму в поле тяжести за времена 1 с. При этом поверхность кристалла имеет вид выпуклого мениска, сходного с мениском, к-рый образует поверхность жидкости, плохо смачивающей стенки сосуда. К. в. на такой поверхности (как и обычные капиллярные волны) могут быть возбуждены либо с помощью переменного электрического поля, либо при механич. вибрациях прибора (рис.).

Поверхность кристалла ⁴ Не при низких темп-pax в зависимости от её ориентации относительно осей кристалла может находиться либо в квантово-шероховатом, либо в классич. атомно-гладком состоянии. Атомногладкая поверхность не обладает свойством бездиссипативной кристаллизации; соответственно К. в. па таких поверхностях не могут существовать. Согласно теории, К. в. могут существовать, кроме ⁴ Не, также и в ³ Не, однако лишь при Т1 мК, при к-рых жидкий ³ Не становится сверхтекучим, а твёрдый ³ Не - антиферромагнитным.

К. в.- одно из проявлений квантовых законов на макроскопич. уровне - для конденсиров. тела как целого.

Лит.: Андреев А. Ф., Паршин А. Я., О равновесной форме и колебаниях поверхности квантовых кристаллов, "ЖЭТФ", 1978, т. 75, с. 1511; Кешишев К. О., Паршин А. Я., Бабкин А. В., Кристаллизационные волны в Не ⁴, "ЖЭТФ", 1981, т. 80, с. 716; Паршин А. Я., Кристаллизационные волны в Не ⁴, "УФН", 1981, т. 135, с. 175; его же, Когерентная кристаллизация и кристаллизационные волны, "Природа", 1982, № 5, с. 28; Keshishev К. О., Раrshin A. Ya., Shal'nikov A. I., Surface phenomena in quantum crystals, Soviet Scientific Reviews. Section A: Physics Reviews, v. 4, ed. by I. M. Khalatnikov, Amst., 1982; Андреев А. Ф., Квантовые кристаллы - новое состояние вещества, в сб.: Академик И. М. Лифшиц, М., 1987.

А. Я. Паршин.