Кристаллизационные волны

КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, слабо затухающие колебания границы раздела квантовый кристалл – сверхтекучая квантовая жидкость, обусловленные периодическим плавлением и кристаллизацией. Кристаллизационные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела, экспериментально наблюдались в ⁴Не. Механизм возникновения кристаллизационных волн состоит в том, что в равновесии квантовый кристалл имеет определённую форму, обеспечивающую минимум свободной энергии его поверхности, и любое отклонение формы кристалла от равновесной приводит к увеличению поверхностной энергии. Поэтому любая неравновесная форма кристалла будет изменяться за счёт кристаллизации или плавления так, чтобы поверхностная энергия уменьшалась. С другой стороны, вследствие разности плотностей двух фаз рост и плавление кристалла вызывают движение жидкости, т. е. увеличение кинетической энергии системы. В результате поверхность будет испытывать слабо затухающие колебания, во многом похожие на обычные капиллярные волны на границе раздела жидкости и газа. Отличие состоит в том, что в случае кристаллизационных волн движение границы целиком обусловлено периодическим плавлением и кристаллизацией, а в объёме кристалл остаётся неподвижным и недеформированным.

Для существования кристаллизационных волн необходимо, чтобы полная диссипация энергии, сопровождающая кристаллизацию и плавление, была достаточно мала. В случае границы сверхтекучая квантовая жидкость – квантовый кристалл (поверхность кристалла ⁴Не) возникновение кристаллизационных волн оказывается возможным, если температура Т достаточно низка (гораздо ниже λ-точки) и если поверхность кристалла находится в особом квантово-шероховатом состоянии, являющемся квантовым аналогом классического атомно-шероховатого состояния (смотри Кристаллизация).

Квантово-шероховатое состояние, как и классическое, характеризуется большим количеством термодинамически равновесных дефектов поверхности (ступеней и изломов на ступенях). Основное отличие состоит в том, что в квантовом случае изломы на ступенях ведут себя как квазичастицы, то есть их движение, а следовательно и движение самих ступеней, практически не сопровождается диссипацией энергии. Поэтому рост и плавление кристалла с квантово-шероховатой поверхностью, обусловленные движением изломов и ступеней, могут происходить практически бездиссипативно.

Бездиссипативность означает, что кристалл может расти и плавиться при ничтожных внешних воздействиях. Так, при Т < 1 К кристаллы ⁴Не размером порядка 1 см с квантово-шероховатой поверхностью принимают равновесную форму в поле силы тяжести за время << 1 с. При этом поверхность кристалла имеет вид выпуклого мениска, и кристаллизационные волны на ней могут быть возбуждены с помощью переменного электрического поля или механических вибраций прибора.

Поверхность кристалла ⁴Не при низких температурах в зависимости от её ориентации относительно осей кристалла может находиться либо в квантово-шероховатом, либо в классическом атомно-гладком состоянии. Атомно-гладкая поверхность не обладает свойством бездиссипативной кристаллизации, и кристаллизационные волны на ней существовать не могут. Согласно теории, кристаллизационные волны возможны также и в ³Не при Т << 1 мК.

Лит.: Андреев А. Ф., Паршин А. Я. О равновесной форме и колебаниях поверхности квантовых кристаллов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1978. Т. 75. Вып. 3; Паршин А. Я. Когерентная кристаллизация и кристаллизационные волны // Природа. 1982. № 5; Андреев А. Ф. Квантовые кристаллы – новое состояние вещества // Академик И. М. Лифшиц. М., 1987.