Анотація до роботи:

Городілов Б. Я. ”Домішкові ефекти в низькотемпературній теплопровідності кріокристалів” – рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.09 – фізика низьких температур. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2005.

У роботі представлено узагальнені результати досліджень низькотемпературної фононної теплопровідності квантових і класичних кріокристалів і вплив на неї різного сорту домішок. Виявлено вплив нормальних фонон-фононних процесів розсіювання на теплопровідність твердих воднів в області гелієвих температур. Показано, що інтенсивність нормальних процесів у квантових кристалах більш ніж на порядок перевищує інтенсивність нормальних процесів у класичних кристалах з такими ж характеристичними параметрами. Запропоновано й експериментально обґрунтована можливість єдиного опису нормальних фонон фононних процесів для класичних і квантових кристалів. Вперше виявлено аномально сильний вплив квазіізотопічної домішки (неон) при концентраціях порядку 1 ppm на теплопровідність твердого параводню при температурах рідкого гелію. Нелінійна залежність домішкового ефекту від концентрації пояснена інтерференцією резистивних і нормальних фонон-фононних процесів розсіювання. Виявлено й виділено квантові ефекти ізотопічного домішкового розсіювання у твердому водні. Виявлено новий тип розсіювання фононів неізотопічною домішкою, що значно слабше чим ізотопічне розсіювання тому що високочастотні фонони не беруть участь у формуванні теплоопору при значної відмінності потенціалу взаємодії домішки і матриці. Експериментально вивчено вплив обертального руху домішкових молекул на теплопровідність. Показано, що у всіх випадках домішкове розсіювання фононів має резонансний характер.

У роботі узагальнені експериментальні й теоретичні результати дослідження низькотемпературної фононної теплопровідності квантових і класичних кріокристалів і вплив на неї різного сорту домішок (атомарні й такі, що мають обертальні ступені свободи). Подібне систематичне дослідження теплопровідності, коли її поведінка в основному визначається впливом домішкових часток, проведено вперше.

Достовірність отриманих даних була забезпечена застосуванням апробованих експериментальних методів, коректного обрахунку помилок виміру, обробкою отриманих даних за допомогою відомих теоретичних підходів. До того ж, результати, що отримані на границях температурного інтервалу досліджень, узгоджуються з даними отриманими іншими авторами.

У цілому як проміжні, так і основні результати дозволяють затверджувати, що

Уперше була експериментально визначена інтенсивність нормальних фонон-фононних процесів (N-процесів) для твердих водню й дейтерію. Було проведено аналіз впливу N-процесів на теплопровідність досліджених кристалів. Порівняно наявні в літературі інтенсивності N-процесів для неону й ізотопів гелію й водню, отримані з вимірів теплопровідності.

Було показано, що інтенсивність N-процесів в кріокристалах при низьких температурах може бути описана єдиним способом через термодинамічні параметри кристалів. Це дало можливість розрахувати інтенсивність N-процесів для ряду найпростіших кріокристалів, для яких необхідні експериментальні дані були відсутні. Виявлені закономірності дозволили зробити висновок, що інтенсивність N-процесів для квантових кристалів істотно вище, ніж для класичних кристалів з тими ж термодинамічними параметрами.

Виявлено сильну анізотропію теплопровідності ГЩУ кристала параводню. Показано, що цей ефект обумовлено особливостями фононного спектру водню.

Виявлено значне збільшення домішкового розсіювання фононів в ізотопічних розчинах ортодейтерію в параводню в порівнянні із чисто масовим ефектом. Обчислено зміну силових констант і дисторсію гратки в околиці домішкових молекул, що обумовлені квантовими ефектами.

Було знайдено розходження в поведінці чистих і домішкових кристалів, що зазнали термоудару на прикладі параводню й параводню з домішкою ортодейтерію. У випадку бездомішкового кристала результатом впливу напружень є генерація великої кількості індивідуальних дислокацій, у випадку кристала з домішкою - росте густина малокутових границь.

Виявлено надзвичайно сильний вплив квазіізотопічної домішки неону на величину теплопровідності твердого параводню поблизу максимуму теплопровідності й відсутність лінійної концентраційної залежності домішкового теплоопору при дуже низьких концентраціях неону (1-100 ppm). Отримані результати були пояснені інтерференцією N-процесів з резистивними процесами розсіювання.

Знайдено новий тип розсіювання фононів неізотопічною домішкою із центральною взаємодією (важка домішка з “жорстким зв’язком”). Ефект було виявлено у розчинах аргону в параводню. Незважаючи на значно більше розходження в масі, аргон значно слабше розсіює фонони, ніж неон. Ефект описано виразом для фононного розсіювання неізотопічною важкою домішкою із центральною взаємодією (з потенціалом взаємодії значно перевищуючим потенціал матричних часток), в якому високочастотні фонони виключені з процесу розсіювання.

Виявлено незвичайна поведінка теплопровідності твердих розчинів неону і аргону в параводню, що полягає в збільшенні теплопровідності розчинів зі збільшенням концентрації домішкових атомів. Показано, що це пов'язано з початковою стадією розпаду твердого пересиченого розчину. Показано також, що гранична рівноважна розчинність близька до 510^-6 для аргону и 110^-4 для неону.

Отримано параметри часів релаксації основних процесів розсіювання фононів, що формують теплопровідність чистих кристалів криптону й аргону.

Виявлено, що температурна залежність додаткового теплоопору, обумовленого домішкою азоту в кристалічному аргоні, характерна для орієнтаційного скла, що може бути обумовлено виникненням полів напружень навколо домішкових молекул.

Виявлено, що основний внесок у домішкове розсіювання фононів у твердому криптоні з домішкою метану вносить розсіювання на збудженнях обертового руху молекул метану спин-ядерної модифікації Т. Поведінка теплопровідності для температур нижче 6 К обумовлена відмінністю концентрацій спин-ядерних модифікацій Т и Е від рівноважних.

Показано, що пружна взаємодія фононів з обертовим рухом молекул є основним процесом розсіювання фононів, який визначає теплопровідність метану в низькотемпературній фазі

Виявлено, що вплив домішки криптону на теплопровідність твердого метану має резонансний характер при температурах близьких до 12 К и деформує спектр молекул, що вільно обертаються, ефективно знижуючи енергетичні рівні, у результаті порушення симетрії октуполь-октупольної взаємодії молекул метану.

Показано, що у всіх випадках розсіювання фононів домішкою з обертальними ступенями свободи, ефект описується резонансним механізмом розсіювання.

Публікації автора:

1. Городилов Б. Я., Королюк О. А., Н. Н. Жолонко Н. Н. , Толкачев А. М., Ежовски А., Беляев Е. Ю. Теплопроводность твердого параводорода с примесью неона // ФНТ.- 1991.- т. 17.- № 2.- с.266-268.

2. Анцыгина Т. Н., Городилов Б. Я., Жолонко Н. Н., Кривчиков А. И., Манжелий В. Г., Слюсарев В. А. Перенос тепла в твердых слабых растворах неона в параводороде // ФHТ.- 1992.- т. 18, № 4.- с. 417-423.

3. Королюк О. А., Городилов Б. Я., Кривчиков А. И., Дудкин В. В. Роль нормальных процессов в теплопроводности твердого дейтерия // ФНТ.- 2000.- т. 26, № 4.- с. 323-329.

4. Жолонко Н. Н., Городилов Б. Я. , Кривчиков А. И. Перенос тепла в твердом параводороде. Возможность наблюдения пуазейлевского течения фононов // Письма в ЖЭТФ.- 1992.- т. 55, № 3.- с.174-176.

5. Korolyuk O. A., Gorodilov B. Ya., Krivchikov A. I., Pirogov A. S., Dudkin V. V. Anisotropy of the Thermal Conductivity of Parahydrogen Crystals // JLTP.- 1998.- v. 111, № 3/4.- p.515-520.

6. Korolyuk O. A., Gorodilov B. Ya., Krivchikov A. I., and Manzhelii V. G. Influence of an orthodeuterium impurity on the thermal conductivity of solid parahydrogen // ФНТ.- 1999.- т. 25, № 8/9.- с.944-949.

7. Gorodilov B. Ya., Korolyuk O. A., Krivchikov A. I., and Manzhelii V. G. Heat Transfer in Solid Solutions Hydrogen-Deuterium // JLTP.- 2000.- v. 119, № 3/4.- p.497-505.

8. Korolyuk O. A., Krivchikov A. I., and Gorodilov B. Ya. Influence of Structure Defects on Thermal Conductivity in Solid p-H2 and p-H2 - o-D2 Solid Solutions // JLTP.- 2001.- V. 122.- № 3/4.- P.203-210.

9. Королюк О. А., Городилов Б. Я., Кривчиков А. И., Раенко А. В., Ежовски А. Рассеяние фононов структурными дефектами в твердом p-H₂ и растворах p-H₂ – o-D₂ // ФНТ.- 2001.- т. 27, № 6.- с.683-689.

10. Manzhelii V. G., Gorodilov B. Ya., and Krivchikov A. I. Heat transfer in solid parahydrogen with heavy impurities (neon, argon) // ФНТ.- 1996.- т. 22, № 2.- с. 174-181.

11. Городилов Б. Я. , Кривчиков А. И., Манжелий В. Г., Жолонко Н. Н. Теплопроводность твердого водорода с примесью аргона // ФНТ.- 1994.- т 20, № 1.- с.78-81.

12. Городилов Б. Я. , Кривчиков А. И., Манжелий В. Г., Жолонко Н. Н., Королюк О. А. Влияние примеси неона при концентрациях превышающих предельную растворимость на теплопроводность твердого параводорода // ФНТ.- 1995.- т. 21, № 7.- с. 723-728.

13. Krivchikov A. I., Gorodilov B. Ya., and Manzhelii V. G. Thermal Conductivity of Oversaturated Solid Solution of Parahydrogen with Inert Gases Ne and Ar // Czech. J. Physics.- 1996.- v. 46, № S1.- p. 537-538.

14. Gorodilov B. Ya. Thermal conductivity of a solid atomic solutions (Ne, Ar) in p-H₂ at concentrations exceeding maximum miscibility // Functional materials.- 1999.- v. 6, № 2.- p. 340-344.

15. Gorodilov B. Ya. and Kokshenev V. B. Analysis of the Thermal Conductivity of Solid Hydrogen including Configurational Relaxation Effects // JLTP.- 1990.- v. 81, № 1/2.- p. 45-54.

16. Городилов Б. Я. Рассеяние фононов в твердых растворах орто-параводорода (роль конфигурационной релаксации) // ФНТ.- 2003.- т. 29, № 5.- с. 496-500.

17. Городилов Б. Я., Жолонко Н. Н., Стаховяк П. Теплопроводность твердых растворов N2 в Ar // ФНТ.- 1993.- т. 19.- № 3.- с. 339-340.

18. Dudkin V. V., Gorodilov B. Ya., Krivchikov A. I., and Manzhelii V. G. Thermal conductivity of solid krypton with methane admixture // ФНТ.- 2000.- т. 26, № 9/10.- с.1023-1028.

19. Jezowski A., Misiorek H., Sumarokov V. V., and Gorodilov B. Ya. Thermal Conductivity of Solid Methane // Phys.Rev.B.- 1997.- v. 55, № 9.- p. 5578-5580.

20. Gorodilov B. Ya. Thermal Conductivity of Solid Methane with Krypton Impurity // JLTP.- 1998.- v. 111, № 3/4.- p. 371-377.

21. Gorodilov B. Ya., Sumarokov V. V., Stachowiak P., and Jezowski A. Heat Transfer in solid CH₄: Influence of an Atomic Impurity (Kr) // Phys.Rev.B.- 1998.- v. 58, № 6 .- p.3089-3093.

22. Gorodilov B. Ya., Sumarokov V. V., Jezowski A., Misiorek H., J. Mucha J., Stachowiak P. Thermal Conductivity of O2- and N2-Doped Solid CH4 // JLTP.- 2001.- v. 122, № 3/4.- p. 187-193.