[论文解读] Roton-like mode in solid He-4

E. Blackburn, S. K. Sinha+4 more|ArXiv.org|Feb 25, 2008

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 24被引用 3

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射在固态⁴He中识别出一种类似旋涡的模式，揭示了具有纵向有效质量的离域空位激发，其值在超流⁴He旋涡的15%以内。该模式表现出色散行为，与声学声子相交，为固体中相干非声子激发提供了直接证据，表明尽管晶格有序，其旋涡样特征仍持续存在。

ABSTRACT

Recent theoretical and experimental work on solid He-4 has focused on vacancies, or other lattice defects and whether these can form a Bose-Einstein condensate within the solid. The earliest suggestion that this could happen was based on the conjecture that the ground state of the solid at T = 0 K would include vacancies. Although no direct evidence for zero point vacancies has been presented, a variety of experimental observations have been interpreted as being due to thermally activated vacancies. Here we directly probe the excitation spectrum of hcp solid He-4 using inelastic neutron scattering. We identify a branch of delocalized excitations, with both longitudinal and transverse dispersion that coexist with acoustic phonons. While the energy gap is larger and the characteristic wavevector is shifted to coincide with the position of the (100) Bragg peak, the longitudinal effective mass of this mode is within 15% of that for rotons in superfluid He-4. The dispersion relation intersects the longitudinal acoustic phonon half way to the zone boundary, and this distinguishes the mode from a conventional optic phonon. Our results provide direct evidence for coherent delocalized non-phonon excitations in solid helium, which we identify as delocalized vacancy modes.

研究动机与目标

• 通过高分辨率非弹性中子散射直接探测六方最密堆积固态⁴He的激发谱。
• 研究先前间接测量中观察到的非声子激发的性质。
• 确定离域空位或其他缺陷是否在固态⁴He中形成相干、色散的模式。
• 评估这些模式对比热的贡献及其与超固态行为的潜在关联。
• 将这些模式的色散关系与超流⁴He中旋涡的色散关系和有效质量进行比较。

提出的方法

• 非弹性中子散射实验使用位于美国国家标准与技术研究院中子研究中心的NG4盘式斩波器飞行时间谱仪完成。
• 在温度低至55 mK的低密度单晶⁴He样品上进行测量，使用入射中子波长为3.7 Å和5.2 Å。
• 通过中子飞行时间确定能量转移，能量分辨率约为0.2 meV（FWHM）。
• 通过石英换能器监测声速和衰减，以评估晶体质量和监控生长过程。
• 数据通过高斯拟合及DAVE软件包进行还原与分析。
• 提取新激发的色散关系，并拟合为二次形式，以获得有效质量和能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 离域空位模式是否在固态⁴He中作为相干、色散的激发存在？
• RQ2 这些模式的色散关系和有效质量与超流⁴He中旋涡的相比如何？
• RQ3 能否基于对称性和色散关系将这些模式与传统光学声子区分开来？
• RQ4 这些模式对固态⁴He比热的贡献是什么？
• RQ5 这些模式是否在假定的超固态转变温度以上仍存在，其存在对超固态相意味着什么？

主要发现

• 观察到一种具有能隙的色散激发，其纵向有效质量在晶体1中为0.107 ± 0.003 mHe，在晶体2中为0.114 ± 0.005 mHe，与超流⁴He中旋涡的有效质量相差在15%以内。
• 空位模式的能隙在晶体1中为0.951 ± 0.004 meV，在晶体2中为1.002 ± 0.003 meV，最小值出现在波矢1.964 ± 0.006 Å⁻¹处。
• 色散关系在布里渊区边界一半处与纵向声学声子模式相交，与传统光学声子不同。
• 该模式的线宽被限制在21 μeV以下，表明其寿命下限为0.2 ns。
• 观察到一个与横光学声子分支一致的宽峰特征，该特征在以往实验中未被分辨。
• 在冷却通过假定的超固态转变温度时，0.15 meV至5.5 meV能量区间内的态密度未见显著变化，但新集体模式仍是固态的关键特征。