Les lacunes dans l’hélium solide

Vacancies in solid helium

Service de Physique du Solide et de Résonance Magnétique C. E. A., Orme des Merisiers, B. P. n° 2 — F 91190 - Gif-sur-Yvette, France.

Résumé

On étudie les différentes propriétés de l’hélium solide donnant des informations sur les lacunes excitées thermiquement :

• 1)

  On examine le mécanisme de formation des lacunes e la possibilité pour ces dernières de se déplacer par effet tunnel. On fait un parallèle entre cet effet tunnel et les interactions d’échange de Pauli dans l’hélium trois solide. La possibilité d’ondes de lacune est envisagée, tant dans ³He que dans ⁴He.

• 2)

  On rappelle les résultats des expériences de rayons X dans ³He cubique centré qui donnent l’énergie de formation des lacunes.

• 3)

  On étudie le mécanisme de diffusion d’aimantation dans ³He cubique centré par mouvement des lacunes, expérimentalement et par la méthode des moments.

• 4)

  La relaxation magnétique due à la modulation du champ dipolaire par le mouvement des lacunes est étudiée en détail ainsi que la relaxation par ce mouvement du système échange. La relaxation magnétique est étudiée par la méthode des moments, en parallèle avec la théorie de la diffusion d’aimantation. La relaxation de l’échange est calculée par la théorie des mouvements lents (ou des collisions fortes) d’Ailion et Slichter. Les différentes expériences publiées sont passées en revue. Dans le cas de l’hélium trois cubique centré, la comparaison avec les expériences de rayons X permet de conclure que le mouvement des lacunes est un effet tunnel. On étudie également le cas des impuretés ³He dans une matrice ⁴He.

• 5)

  Pour finir, on examine la possibilité de diffusion inélastique de neutrons ou de lumière par les lacunes. Il ne semble pas possible de mettre ainsi en évidence les ondes de lacune.

Abstract

Some theoretical and experimental properties of thermally excited Schottky type vacancies in solid helium are reviewed:

• 1)

  The mechanism for creation of a vacancy and the possibility for the latter to tunnel from one lattice site to a neighbouring one are considered. This tunnelling is compared with Pauli exchange interactions in solid ³He. The possibility of vacancy wa ves is studied and the difference between the cases of ³He and ³He pointed out.

• 2)

  X ray scattering in body centered cubic helium three yields the energy of formation of vacancies without ambiguity in principle, although with a so far limited accuracy.

• 3)

  Vacancy induced diffusion of magnetization in body centered cubic ³He is studied by the method of moments and existing experimental data are recalled.

• 4)

  Spin lattice relaxation is recalled with some detail, both the Zeeman-vacancies relaxation due to the modulation of the dipole-dipole interactions by the motion of the vacancies and the exchange-lattice relaxation through the vacancies. The Zeeman-vacancies relaxation is studied by the method of moments, in parallel with the theory of diffusion. The exchange-lattice relaxation is calculated by the method of strong collisions of Ailion and Slichter. The various published experiments are reviewed. In the case of body centered cubic helium three, we can conclude to the tunnelling of vacancies by comparison of NMR activation energies with the energies of formation measured by X ray scattering. The case of the 3 He impurities in hexagonal close packed ⁴He is also studied as it also reveals the existence of vacancies in ⁴He.

• 5)

  Finally the possibility of inelastic scattering of either neutrons or light by vacancies is noted. It does not seem possible though to detect directly by such an experiment the vacancy waves.