J. Phys. France 39, 786-792 (1978)
DOI: 10.1051/jphys:01978003907078600

High frequency ultrasonic relaxations in smoky quartz

M. Saint-Paul^{1, 2} et R. Nava<sup>1

1</sup>  Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, Physics Center, Aptdo, 1827, Caracas, Venezuela
²  Présent address : Centre de Recherches sur les très basses températures, 38042 Grenoble Cedex, France.

Abstract
Pulse-echo ultrahigh frequency ultrasonic measurements in gamma irradiated natural brazilian X-cut quartz crystals reveal the existence of Debye relaxation peaks at low (18 K) and high (155 and 255 K) temperatures which can be attributed to transitions of the hole trapped at the oxygen ion nearest to the substitutional aluminum impurities. The observed activation energies are in agreement with previous anelastic and dielectric loss measurements but the relaxation times are found to be respectively one to two, and five orders of magnitude smaller for the high and low temperatures peaks. The low-temperature peak shows an apparent radiation annealing for gamma doses in excess of one megarad attributed to the closing of tunnelling transitions of the hole from low-lying intermediate energy levels due to electrostatic shifts of the asymmetry of the double-well potential by ionized defects. Uncoupling of the sound waves to the split ground state levels of the hole may be due to the anisotropy of the deformation potential constant.

Résumé
Des mesures de l'atténuation d'ondes longitudinales ultrasonores pulsées de très haute fréquence ont été effectuées dans des cristaux de quartz naturels brésiliens de coupe X irradiés par rayonnement gamma. Des pics de relaxation de type Debye ont été mis en évidence à basse température (Tm = 18 K) et à haute temperature (Tm = 155 et 255 K). Ces pics peuvent etre attribués aux transitions effectuées par un trou (défaut d'électron) piégé sur un oxygène proche voisin d'une impureté substitutionnelle d'aluminium. Les valeurs des énergies d'activation observées sont en accord avec celles obtenues antérieurement par des mesures de perte diélectrique et acoustique. Par contre les temps de relaxation observés sont d'un ordre de grandeur plus faible à haute température et de cinq ordres de grandeur plus faibles à basse temperature. Pour des doses d'irradiation supérieures à un Mrad, l'augmentation de dose provoque la disparition progressive du pic de basse température. Cette disparition peut être attribuée à un blocage des transitions tunnels des niveaux intermédiaires de faible énergie, dû aux modifications de l'asymétrie du double puits de potentiel provoquées par des interactions électrostatiques avec des défauts ionisés. L'absence de couplage entre l'onde sonore et les niveaux dedoubles de l'état fondamental du trou peut être attribuée à l'anisotropie de la constante du potentiel de deformation.

PACS
6172J - Point defects (vacancies, interstitials, color centers, etc.) and defect clusters.
6180E - gamma-ray effects.
6280 - Ultrasonic relaxation.

Key words
colour centres -- gamma ray effects -- quartz -- ultrasonic relaxation