4.3.2.3 Магнитная связь между жидким гелием-3 и твердыми телами, содержащими магнитные моменты

Если тепловая связь между жидким гелием и твердыми телами ограничена передачей фононов, или если зависимость Т –3 для RK сохраняется до нижней милликельвиновой области температур, то охлаждение жидкого 3Не до его сверхтекучего состояния потребовало бы чрезвычайно большой площади поверхности. Однако в середине 1960-х годов было сообщено о совершенно неожиданном поведении теплового граничного сопротивления между жидким 3Не и парамагнитной солью ЦМН (разд. 9.3) [4, 49-53].

 Тепловое граничное сопротивление Rk, умноженное на площадь поверхности A, между парамагнитной сольюЦМН и 3He и 6% раствором 3He-4He

В то время как выше примерно 20 мК данные были в разумном согласии с теорией акустического рассогласования, в области 2 мКТ ≤ 20 мК тепловое сопротивление между 3Не и порошком ЦМН резко снизилось и его уменьшение соответствовало закону RK ~ Т (рис. 4.8). Этот результат воодушевил многих исследователей и указал способ хорошей связи 3Не и, значит, его охлаждения до нижней милликельвиновой области температур. Хотя усиленная тепловая связь теоретически еще полностью непонятна в деталях, нет сомнений, что поверхностное магнитное взаимодействие между ядерными магнитными моментами 3Не и электронными моментами в твердом теле, контактирующем с 3Не , играет существенную роль и шунтирует действие механизма акустического рассогласования [4.38, 54, 55]. Наиболее убедительной поддержкой этой интерпретации является наблюдение того факта, что усиленная связь резко уменьшается, если поверхность твердого тела покрывается слоем (немагнитного) 4Не [4.50, 52, 53] (рис. 4.8). Атомы 4Не покрывают стенки преимущественно потому, что — благодаря их меньшей энергии нулевых колебаний по сравнению с 3Не — они находятся в более глубокой яме потенциала Ван-дер-Ваальса, создаваемого стенкой. Эта интерпретация также поддерживается теоретической трактовкой магнитной диполь-дипольной связи между ядерными спинами 3Не и электронными спинами ЦМН, что приводит к RK ~ Т [4.38, 54, 55], однако эта теория содержит ряд существенных допущений [4.37].

Позднее качественно подобные результаты — разумное согласие с теорией акустического рассогласования по величине и температурной зависимости при 20 мК < Т < 100 мК и усиление тепловой связи при более низких температурах — были получены для жидкого 3Не , находящегося в контакте с разными металлами, особенно («грязными») синтерами. Однако, сейчас установлена температурная зависимость RK ~ Т –1 с типичными значениями ARKT , пропорциональными от нескольких единиц 102 до 103 м2К 2/Вт для спеченных Cu и Ag порошков или металлических фольг, содержащих магнитные примеси [4.48, 56-51] (рис. 4.6, 7, 9). Сильной поддержкой объяснения за счет магнитной связи является явное отсутствие вклада от электрон-фононного сопротивления в металле и фонон-квазичастичного сопротивления в жидкости [4.38]; это указывает напрямую связь спина 3Не и электронного или ядерного спина металла, минуя фононы.

Тепловое сопротивление Rk (умноженное на AT3) между жидким 3He или 6,5% раствором 3He и различными твёрдыми телами в зависимости от температуры

Возможность изменения температуры Ферми TF жидких растворов 3Не4Не за счет изменения их концентрации (7.23а) позво­ляет достичь большего понимания взаимодействия между раство­рами 3Не4Не и твердыми телами. Действительно, для указанного сочетания элементов также была обнаружена усиленная связь [4.60-65], но в этом случае зависящая от TF , с типичными значениями ARK ~ 6Т –2TF–1 м2К/Вт при Т ≤ 20 мК [4.38, 64, 65]. Эта зависимость от температуры Ферми для растворов указывает на квантовый и магнитный характер связи. Для насыщенного раствора (гл. 7) 6 % 3Не4Не смеси были сообщены значения ARK = (14 ÷ 35)Т –2 м2К/Вт [4.60-65].

Тепловое граничное сопротивление Rk, умноженное на площадь поверхности, между жидким 3He и спечёнными частицами серебра. Экспериментальные данные при нулевом магнитном поле и в поле 0,385 Т

Когда была написана первая обзорная статья о тепловом граничном сопротивлении при Т < 0,1 К в 1979 г. [4.37], эта проблема была во многом непонятной. Значительные экспериментальные и теоретические усилия недавних лет дали возможность Накаяма представить более сжатую картину в его недавней обзорной статье по этой проблеме [4.38] (рис. 4.10). Эти два исчерпывающих обзора можно использовать для выяснения дополнительных деталей и, в частности, для получения ссылок в этой области. Ситуацию здесь все еще нельзя считать понятной, и необходимы дальнейшие эксперименты по тепловому граничному сопротивлению, особенно при Т ≤ 20 мК. Например, имеются противоречивые результаты по зависимости RK от давления и магнитного поля [4.66-68]. К тому же, интересной проблемой является влияние изменения структуры гелия вблизи подложки за счет Ван-дер-Ваальсовского притяжения (локализация, сжатие, преимущественное расположение 4Не в случае растворов). Наконец, интересен вопрос о том, вызывается ли магнитная связь электронными магнитными моментами металла, или она обусловлена адсорбированными примесными слоями, особенно парамагнитными окислами с локализованными моментами [4.38]. Остается также более полно выяснить роль электронов проводимости в RK .

Проблему сопротивления Капицы, хотя в ней еще многое должно быть измерено и понято, можно четко подразделить на три различных температурных режима:

а) выше 1 К: RK практически одинаково для жидкого и твердого 3Не и 4Не; RK , по крайней мере, на порядок меньше, чем предсказывает теория акустического рассогласования, и это не понятно;

б) при 20 мКТ ≤ 100 мК: RK ~ Т –3 и ведет себя как предсказывает теория акустического рассогласования, если используются чистые поверхности массивного металла с хорошо известными характеристиками;

в) при Т ≤ 10 мК: сопротивление между жидким 3Не или растворами и металлом RK ~Т –2 или Т –1 и опять много меньше, чем предсказывает теория акустического рассогласования; здесь для определения потока энергии используется магнитная дипольная связь между ядерными моментами 3Не и электронными моментами в твердом теле, а также связь гелиевых фононных мод с мягкими колебательными модами, если используется спеченный металл. Эти эффекты чрезвычайно важны для охлаждения в низкой милликельвиновой и субмилликельвиновой области температур.