Открытия сотрудников ЛЯП ОИЯИ. Явление квантовой некогерентной диффузии положительных мю-мезонов в твердом веществе
Процесс диффузии примесной части в твердом теле определяется ее взаимодействием с кристаллической решеткой вещества. До опубликованных работ авторов открытия был известен классический тепловой механизм диффузии протонов и других частиц под воздействием колебаний решетки, который можно представить как перемещение частицы над потенциальными барьерами в твердом теле.
Однако существование наиболее естественного механизма диффузии заряженных частиц в твердом теле, обусловленного их квантово-механическим проникновением под потенциальным барьером, несмотря на его большое значение для построения общей квантовой теории диффузии, не было доказано.
В 1972 г. авторы открытия экспериментально обнаружили квантовый некогерентный механизм диффузии частиц в твердом теле при изучении диффузии нестабильных, живущих всего две миллионные доли секунды, элементарных частиц — положительных мюонов, взаимодействующих с кристаллической решеткой кристалла так же, как и стабильные частицы: протон, дейтон и др.
Дело в том, что для мюонов — частиц более легких, чем протоны, прозрачность потенциального барьера, разделяющего возможные положения частицы в соседних ячейках кристаллической решетки, является относительно более высокой, что позволяет достоверно определять характеристики квантово-механического явления диффузии под потенциальным барьером.
Метод, примененный авторами, основан на измерении скорости релаксации спина диффундирующего мюона при переходе из одной ячейки кристалла в другую из-за дипольных взаимодействий: с магнитными моментами ядер вещества. В процессе эксперимента изменяется коэффициент асимметрии углового распределения позитронов распада положительного мюона, что позволяет определить временную зависимость скорости релаксации спина мюона и температурную зависимость коэффициента диффузии.
Было доказано, что экспериментальная температурная зависимость коэффициента диффузии мюонов в металлах описывается не тем же выражением, что и тепловая надбарьерная диффузия, величина предэкспоненциального множителя в этой зависимости более чем на шесть порядков меньше значения, характерного для надбарьерной диффузии.
Таким образом, был экспериментально открыт неизвестный ранее механизм квантовой некогерентной диффузии сквозь потенциальные барьеры в кристаллической решетке, обусловленный фоновыми взаимодействиями в решетке кристалла.
Изучая обнаруженное явление, авторы установили, что механизм диффузии мюонов сквозь потенциальный барьер существует во многих металлах: меди, индии, сурьме, бериллии, тантале, галлии, ниобии и т. д.
Такая диффузия принципиально отличается как от классической надбарьерной диффузии, так и от квантовой когерентной диффузии примесей в квантовых кристаллах гелия. Объясняется это тем, что квантово-механическое туннелирование мюона происходит между эквивалентными положениями в деформируемой решетке кристалла, что приводит к возникновению дополнительной энергии активации.
В дальнейшем результаты исследований советских ученых были подтверждены в работах ученых США, Канады и Швейцарии.
Открытие послужило основой нового направления экспериментального изучения механизма диффузии частиц в твердом теле. Полученные результаты используются для развития микроскопической теории квантовой диффузии и, в частности, теории диффузии однозарядных частиц в металлах.
Практическое значение открытия заключается в том, что предложенный метод используется в качестве метода контроля предельно малых количеств примесей и структурных дефектов в металлах. Работы в этом направлении ведутся в Японии, США, Швейцарии и Канаде.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР 23 декабря 1982 г. за № 268 с приоритетом от 18 апреля 1972 г.
Формула открытия:
«Экспериментально установлено неизвестное ранее явление квантовой некогерентной диффузии положительных мю-мезонов в твердом теле, обусловленное их проникновением сквозь потенциальный барьер между эквивалентными положениями в кристаллической решетке».
