Collective excitations in solid hydrogen as observed by incoherent neutron scattering
- 1. Kernforschungsanlage Juelich G.m.b.H. (Germany, F.R.). Inst. fuer Festkoerperforschung
- 2. Duke Univ., Durham, NC (USA). Dept. of Physics
- 3. Institut Max von Laue - Paul Langevin, 38 - Grenoble (France)
Description
Incoherent neutron scattering experiments are reported at a number of scattering angles for solid H2 using the time-of-flight technique. The samples had an ortho concentration of X <= 0.91 and the temperatures were 4.2, 2.2 and 1.2K. The recorded scattering functions exhibit the elastic line, the ortho-para conversion line, the phonon spectrum on the energy-gain side of the neutrons and finally the phonon spectrum on the energy-loss side. Analysis of the data shows multiple scattering to be very important especially at small scattering angles. Accordingly, the results of an extensive calculation are reported that include up to four-fold scattering. The phonon spectrum that brings calculation and experiment in agreement at all angles is presented. It is concluded from the comparison between the spectra at various temperatures that unexpectedly the samples have always remained in the hexagonal close-packed phase even below the usual transition temperature into the cubic phase. Comparison is made with the spectrum (also in the hcp phase) obtained from coherent neutron scattering. The high-energy phonon tail, to be expected for quantum crystals, is observed and is qualitatively consistent with that in a similar spectral density derived theoretically from ortho-para conversion data under pressure. No evidence of a libron spectrum at T = 2.2K for a sample with X = 0.91 could be found, which is consistent with the absence of the cubic orientationally ordered phase in these experiments. (orig.)
Abstract (German)
Es wird ueber inkohaerente Neutronenstreuungsexperimente berichtet, welche bei festem H2 mit Hilfe der Flugzeittechnik bei einer Anzahl von Streuwinkeln durchgefuehrt wurden. Die Proben hatten eine Ortho-Konzentration von X <= 0,91, und die Temperaturen betrugen 4,2, 2,2 und 1,2K. Die aufgenommenen Streu-Funktionen weisen die elastische Linie, die Ortho-Para-Konversionslinie, das Phononenspektrum auf der Energieverstaerkungsseite der Neutronen und schliesslich das Phononen-Spektrum auf der Energieverlustseite auf. Die Analyse der Daten zeigt, dass Mehrfachstreuung besonders bei kleinen Streuwinkeln sehr wichtig ist. Demgemaess wird von den Ergebnissen einer ausfuehrlichen Rechnung berichtet, die bis zu vierfache Streuungen mitberuecksichtigt. Es wird das Phononenspektrum, das die Rechnung und das Experiment bei allen Winkeln in Uebereinstimmung bringt, vorgelegt. Aus dem Vergleich zwischen den bei verschiedenen Temperaturen gewonnenen Spektren wird geschlossen, dass die Proben unerwarteterweise immer in der hexagonalen eng gepackten Phase verblieben, selbst unterhalb der ueblichen Uebergangstemperatur in die kubische Phase. Es wird ein Vergleich mit dem Spektrum (auch in der hcp-Phase), das aus kohaerenter Neutronenstreuung gewonnen wurde, gezogen. Es wird der fuer Quantenkristalle zu erwartende hochenergetische Phononenanteil beobachtet, der qualitativ mit dem bei einer aehnlichen Spektraldichte theoretisch aus den Daten einer unter Druck erfolgten Ortho-Para-Konversion abgeleiteten Phononenanteil konsistent ist. Bei einer Probe mit X = 0,91 konnte be T = 2,2K kein Anzeichen fuer ein Libronenspektrum gefunden werden, das mit der Abwesenheit der kubischen orientierungsmaessig geordneten Phase bei diesen Experimenten vereinbar waere. (orig.)Additional details
Publishing Information
- Journal Title
- Z. Phys., B
- Journal Volume
- 31
- Journal Issue
- 4
- Series
- Z. Phys., B.
- Journal Page Range
- 345-354
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 10446575
- Subject category
- S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Descriptors DEI
- CRYSTAL-PHASE TRANSFORMATIONS; EXCITED STATES; HYDROGEN; INCOHERENT SCATTERING; LATTICE VIBRATIONS; NEUTRON BEAMS; PHONONS; SPECTRA; ULTRALOW TEMPERATURE
- Descriptors DEC
- BEAMS; ELEMENTS; ENERGY LEVELS; NONMETALS; NUCLEON BEAMS; PARTICLE BEAMS; PHASE TRANSFORMATIONS; QUASI PARTICLES; SCATTERING