Path integral calculations of vacancies in solid Helium
We study properties of vacancies in solid 4He using Path Integral Monte Carlo. We find, in agreement with other calculations, that the energy to create a single vacancy is 11.5 K and is monotonic with the number of vacancies. If more then a few percent of the system becomes vacant, we find the system becomes unstable to melting. We show the number of exchanges in the system is increased by vacancies and how the underlying lattice is altered by the presence of a vacancy. We also examine the efficacy of using a tight binding Hamiltonian to describe the vacancy in the crystal, show that vacancies are attractive, and find values for the effective mass and inter-vacancy attraction.
L'hélium solide métastable en sous-pression
En 1969, il a ete suggere que des lacunes atomiques pourraient former un condensat de Bose dans l'helium-4 solide, ce qui lui confererait des proprietes de superfluidite. Ce scenario n'a toujours pas pu etre observe, car il semblerait que l'energie d'activation des lacunes soit trop importante. Toutefois, cette energie diminue lorsque le volume molaire du solide augmente, mais cette diminution est limitee par la fusion du solide. Le travail presente dans cette these, vise a produire un etat d'helium solide metastable par rapport a la fusion, pour prolonger la diminution de l'energie d'activation et tendre vers la realisation du scenario. Pour cela nous avons developpe une technique permettant de focaliser une onde ultrasonore dans un monocristal d'helium pourtant anisotrope. Les oscillations de pression provoquees par l'onde portent transitoirement l'helium sous sa pression de fusion, qui est d'environ 25 bar. Une mesure interferometrique du champ acoustique emis, faite a travers les acces optiques du cryostat, nous permet de determiner la pression de l'echantillon metastable produit. Les resultats obtenus montrent qu'il est possible d'obtenir des etats metastables decomprimes jusqu'a 21 bar, soit 4,5 bar sous la pression de fusion. Au-dela de cette limite, le cristal subit une instabilite inattendue, bien avant la limite spinodale predite theoriquement. L'analyse de cette instabilite montre que le phenomene pourrait correspondre a la nucleation de la phase liquide, bien que sa pression d'apparition soit incompatible avec le modele actuel.
The momentum distribution of normal and superfluid liquid 4He
Path-integral methods can be employed to calculate properties of boson systems at any temperature. We have performed a number of simulations of liquid helium and have calculated the momentum distribution as a function of temperature. We find that liquid helium has a condensate below 2 K but not above. The momentum distribution is found to be non-Gaussian even in normal liquid helium. We have also calculated the difference in the momentum distribution between a boson system and a distinguishable particle system.