RESONANCE STUDIES OF H ATOMS ADSORBED ON FROZEN H₂ SURFACES

Résumé
Nous avons observé la résonance hyperfine dans l'état fondamental d'atomes d'hydrogène contenus dans une cellule de 5 cm de diamètre intérieurement recouverte en surface d'hydrogène moléculaire solide. Le déphasage de la résonance hyperfine pendant le temps où les atomes sont adsorbés produit des déplacements de fréquence qui varient d'un facteur 2 dans la gamme de température allant de 3,7 à 4,6 K, ainsi que des taux de décroissance radiative qui varient d'un facteur 5 dans cette même zone de température. Ces déplacements de fréquence et ces taux de décroissance ont une grandeur et une dépendance en température qui s'expliquent bien en supposant une distribution non uniforme des énergies d'adsorption sur la surface, caractérisée par une valeur moyenne de 38(8) K en accord avec les estimations théoriques qu'on peut faire pour une surface régulière. Si l'on extrapole la valeur de 30 nanosec. mesurée à 4,2 K comme durée moyenne d'adsorption, on peut prédire des durées d'adsorption très longues pour H sur H₂ au-dessous de 1 K. L'étude des taux de retour à l'équilibre des populations des niveaux montre l'existence des collisions d'échange de spin électronique en surface entre atomes adsorbés, la durée de ces collisions étant longue devant la période hyperfine ; ceci suggère que les atomes sont partiellement mobiles sur la surface. Les taux les plus bas observés pour le retour à l'équilibre des populations fixent une limite inférieure de l'ordre de 500 au nombre des collisions atome-surface non suivies de recombinaison à 4,2 K.

Abstract
Observations are reported of the ground state hyperfine resonance of hydrogen atoms stored in a 5 cm. diameter bottle coated with frozen molecular hydrogen. Dephasing of the hyperfine resonance while the atoms are adsorbed produces frequency shifts which vary by a factor of two over the temperature range 3.7 K to 4.6 K and radiative decay rates which vary by a factor of five over this range. The magnitudes and temperature dependences of the frequency shifts and decay rates are consistent with a non-uniform distribution of surface adsorption energies with mean about 38(8) K, in agreement with theoretical estimates for a smooth surface. Extrapolation of the 30 nanosec. mean adsorption times at 4.2 K predicts very long adsorption times for H on H₂ below 1 K. Studies of level population recovery rates provide evidence for surface electron spin exchange collisions between adsorbed atoms with collision duration long compared to the hyperfine period, suggesting that the atoms are partially mobile on the surface. The lowest rates observed for level population recovery set a lower limit of about 500 atom-surface collisions at 4.2 K without recombination.