Изучение спиновой кинетики гелия-3 в условиях наноограничений методами магнитного резонанса при низких и сверхнизких температурах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10359

НазваниеИзучение спиновой кинетики гелия-3 в условиях наноограничений методами магнитного резонанса при низких и сверхнизких температурах

Руководитель Буньков Юрий Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые слова 3Не, гелий-3, магнитный резонанс, низкие температуры, пористые среды, сверхтекучесть, аэрогель, квантовые явления, Бозе конденсация

Код ГРНТИ29.19.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Известно, что на магнитную релаксацию ядер жидкости в условиях ограниченной геометрии оказывают влияние как размеры и форма пор, так и определенная доля молекул жидкости, находящихся вблизи поверхности твердого тела. Согласно классической теории Бломбергена-Парселла-Паунда (БПП) [Phys. Rev. V.73. P.679 (1948)] при определенных условиях, скорости продольной (1/T1) и поперечной (1/T2) релаксации магнитных моментов в объемной жидкости равны за счет модуляции диффузионным движением диполь-дипольных взаимодействий. Как правило эти времена достаточно велики. Для гелия-3 собственные величины времен релаксации существенно превышают 100 с. Это хорошо согласуется с наблюдаемыми экспериментально временами релаксации в объемной жидкости ЗHe при температурах 1-3 К [см. напр. Phys. Rev. V.115. P.1415 (1959)]. В то же время экспериментально измеряемые времена продольной и поперечной релаксации ядер жидкого ЗHe в реальных системах (пористых средах) всегда значительно короче и не равны друг другу. Основной причиной подобного поведения является хорошо известный на данный момент механизм поверхностной релаксации [J. Low Temp. Phys. V.22. P.313 (1976)]. Однако существуют механизмы, влияющие на спиновую кинетику 3Не за счет ограничения спектра диффузионного движения в пористых средах с размерами пор порядка и менее 1 нм [ЖЭТФ Т.108. С.577 (1995)]. За последние 30 лет членами научного коллектива были проведены эксперименты по исследованию ядерной магнитной релаксации гелия-3 в контакте с различными образцами: фторидами редких земель (PrF3, LaF3, LiTmF4), хаотическими и нитевидными SiO2 аэрогелями, углями (карбонизаты), инверсные опалы SiO2, геологические образцы. Недавно был осуществлен переход на специально синтезированные для этих целей наноразмерные образцы трифторидов редких земель (характерный размер ~30нм) [J. Low Temp. Phys. V.162. P.645 (2011)]. Были детально изучены механизмы релаксации 3Не в данных наносистемах. В рамках данного проекта предлагается провести систематические исследования (экспериментальные и теоретические) механизмов магнитной релаксации ядер гелия-3 (адсорбированный слой, газообразный, жидкость, смеси 3Не-4Не) в условиях наноограничений (от десятков до суб нанометров) в пористых магнитных и немагнитных наноструктурах с возможностью влияния на поверхностную релаксацию до полного ее устранения, с целью получения "чистой" ограниченной геометрии. В качестве таких структур будут использованы аэрогели (SiO2 и ориентированные Al2O3), наночастицы трифторидов (PrF3 и LaF3) и другие наноструктуры (часть из них будет синтезирована). Важным отличием предлагаемых исследований является возможность варьировать условия экспериментов таким образом, что позволит детально исследовать механизмы релаксации и верифицировать модели магнитной релаксации жидкостей в условиях наноограничений. Использование 3Не в таких экспериментах дает возможность гибко менять их условия: режимы диффузии, исключать либо усиливать роль поверхностного слоя, проводить измерения в широком диапазоне температур. 3Не в диапазоне температур выше температуры Ферми-вырождения ведет себя как классическая жидкость. Таким образом, предлагаемые исследования являются универсальными и результаты работы могут быть использованы для описания ядерной магнитной релаксации других классических жидкостей в условиях ограниченной геометрии. Особое место занимает исследование 3Не в нанопористых системах при сверхнизких температурах (порядка мК), в которых 3Не обладает свойствами сверхтекучести. Сверхтекучий 3Не является модельной системой для квантового вакуума нашей Вселенной. Дело в том что и Вселенная и сверхтекучий 3Не описываются квантовой теорией поля. Поэтому многие законы космологии могут быть проверены в сверхтекучем 3Не. Эти возможности описаны в книге Г. Воловика [The Universe in a Helium Droplet, Oxford press, (2003)]. Как было недавно показано в работах Ю.М.Бунькова [например J. of Low Temp. Phys. V.158. P.118 (2010)] пространственная неоднородность и/или упорядоченность наноструктур может управлять ориентацией или состоянием 3Не. При этом возможно наблюдать такие фундаментальные явления, как Бозе конденсация магнонов, спиновый эффект Джозефсона, спиновые вихри и т.д. Исследования сверхтекучего 3Не в упорядоченных нано системах имеет большой потенциал обнаружения новых эффектов, который трудно переоценить.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кузьмин В., Сафиуллин К., Долгоруков Г., Станиславовас А., Алакшин Е., Явкин Б., Орлинский С., Клочков А., Тагиров. М. Reply to 'Comment on "angstrom-scale probing of paramagnetic centers location in nanodiamonds by 3He NMR at low temperatures"' by A. Shames, V. Osipov and A. Panich,: Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, DOI: 10.1039/c8cp03331e Physical Chemistry Chemical Physics, 20, 27697 (год публикации - 2018)
10.1039/c8cp05801f

2. Ю.М. Буньков, А.В. Клочков, Т.Р. Сафин, К.Р. Сафиуллин, М.С. Тагиров Нерезонансное возбуждение бозе-эйнштейновского конденсата магнонов в MnCO3 Письма в ЖЭТФ (год публикации - 2018)

3. Ю.М. Буньков, А.Р. Фархутдинов, А.В. Клочков, Г.В. Мамин, С.Б. Орлинский, Т.Р. Сафин, М.С. Тагиров, П.М. Ветошко, Д.Г. Зверев Conventional magnon BEC in YIG film Nature Physics (год публикации - 2018)

4. А. Станиславовас, В. КУзьмин, К. Сафиуллин, Е. Алакшин, А. Клочков, М. Тагиров, А. Родионов 3He magnetic relaxation in nematically ordered Al2O3 aerogel: effect of 4He and nitrogen pre-plating Journal of Low Temperature Physics (год публикации - 2018)

5. Юрий Буньков Magnonics and Supermagnonics Spin, 9 (4 ), 1940005 (год публикации - 2019)
10.1142/S2010324719400058

6. Алакшин Е.М., Кузьмин В.В., Сафиуллин К.Р., Долгоруков Г.А., Станиславовас А.А., Сафин Т.Р., Явкин Б.В., Орлинский С.Б., Киямов А.Г., Пресняков М.Ю., Клочков А.В., Тагиров М.С. Angstrom-scale probing of paramagnetic centers location in nanodiamonds by 3He NMR at low temperatures Phys. Chem. Chem. Phys., Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, DOI: 10.1039/C7CP05898E (год публикации - 2017)
10.1039/C7CP05898E

7. Борич М.А., Буньков Ю.М., Куркин М.И., Танкеев А.П. Ядерная магнитная релаксация, наведенная релаксацией электронных спинов JETP LETTERS, 105, 1 (год публикации - 2016)

8. Буньков Ю.М., Клочков А.В., Сафин Т.Р., Сафиуллин К.Р., Тагиров М.С. The 55Mn Spin Echo Test of Magnon BEC State in MnCO3 Applied Magnetic Resonance, V.48, I.7, P. 625–633 (год публикации - 2017)
10.1007/s00723-017-0906-9

9. Буньков Ю.М., Сафонов В.Л. Magnon Condensation and Spin Superfluidity Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.12.029 (год публикации - 2017)
10.1016/j.jmmm.2017.12.029

10. Буньков Ю.М. The magnon BEC observation by switch off method Low Temperature Physics, V.43, I.8, P.930-935 (год публикации - 2017)
10.1063/1.5001292

11. Кузьмин В.В., Сафиуллин К.Р., Станиславовас А.А., Тагиров М.С. Helium-3 gas self-diffusion in nematically ordered aerogel at low temperatures PHYSICAL REVIEW B (год публикации - 2016)

12. Буньков Ю.М., Клочков А.В., Сафин Т.Р., Сафиуллин К.Р., Тагиров М.С. Голдстоуновская мода колебаний БЭК магнонов в MnCO3 JETP letters, V.106, I.10, P. 646 – 650 (год публикации - 2017)
10.7868/S0370274X17220118

13. Кузьмин В.В., Сафиуллин К.Р., Станиславовас А.А., Тагиров М.С. Helium-3 gas self-diffusion in a nematically ordered aerogel at low temperatures: enhanced role of adsorption Phys. Chem. Chem. Phys., V.19, I.34, P. 23146-23153 (год публикации - 2017)
10.1039/C7CP03949B

14. Алакшин Е.М., Захаров М.Ю., Клочков А.В., Кузьмин В.В. Сафиуллин К.Р., Станиславовас А.А., Тагиров М.С. Anomalous nuclear spin-lattice relaxation of 3Не in contact with ordered Al2O3 aerogel JETP Letters, 104, 5, 315-318 (год публикации - 2016)
10.1134/S0021364016170033

Публикации

5. Юрий Буньков Magnonics and Supermagnonics Spin, 9 (4 ), 1940005 (год публикации - 2019)
10.1142/S2010324719400058

10. Буньков Ю.М. The magnon BEC observation by switch off method Low Temperature Physics, V.43, I.8, P.930-935 (год публикации - 2017)
10.1063/1.5001292

Публикации

5. Юрий Буньков Magnonics and Supermagnonics Spin, 9 (4 ), 1940005 (год публикации - 2019)
10.1142/S2010324719400058

10. Буньков Ю.М. The magnon BEC observation by switch off method Low Temperature Physics, V.43, I.8, P.930-935 (год публикации - 2017)
10.1063/1.5001292