нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Циклотронний резонанс

   
 

Циклотронний резонанс, виборче поглинання електромагнітної енергії носіями заряду в провідниках, поміщених в магнітне поле при частотах, рівних або кратних їх циклотронной частоті . При Ц. р. спостерігається різке зростання електропровідності провідників. У постійних електричному Е і магнітному Н полях носії струму - заряджені частинки - рухаються під дією Лоренца сили по спіралях, осі яких направлені уздовж магнітного поля ( рис. 1 , а). У площині, перпендикулярній магнітному полю, рух є періодичним з циклотронною частотою W ; якщо при цьому на частку діє однорідне періодичне електричне поле Е частоти w , то енергія, що поглинається нею, також виявляється періодичною функцією часу t з кутовою частотою, рівній різниці частот: W - w. Тому середня енергія, що поглинається за великий час, різко зростає у разі w = W. Збільшення енергії частки приводить до зростання діаметру орбіти і до появи додаткової середньої швидкості частинок Dv, тобто до зростання електропровідності, пропорційної Nev / E ( N - концентрація носіїв струму).

Періодичному руху носіїв в магнітному полі відповідає поява дискретних дозволених станів (рівнів Ландау) з умовою квантування: Ф = (n + 1/2) Ф 0, де Ф - потік магнітного поля, що охоплюється рухомим зарядом, Ф 0 = ch/2e - квант магнітного потоку ( h - Планка постійна), n - ціле число. Частота квантових переходів між сусідніми еквідистантними рівнями і є циклотронна частота. Т. о., Ц. р. можна трактувати як збудження зовнішнім змінним полем переходів носіїв струму між рівнями Ландау.

Ц. р. може спостерігатися, якщо носії струму здійснюють багато зворотів, перш ніж випробують зіткнення з ін частинками і розпорошаться. Ця умова має вигляд: Wt> 1, де t - середній час між зіткненнями (час релаксації ), визначається фізичними властивостями провідника. Наприклад, в газовій плазмі - це час між зіткненнями вільних електронів з ін електронами, з іонами або нейтральними частками. У твердому провіднику визначальну роль грають зіткнення електронів провідника з дефектами кристалічної решітки (t "10 -9 -10 -11 сек ) і розсіяння на її теплових коливаннях (фононна взаємодія). Останній процес обмежує область спостереження Ц. р.. низькими температурами (~ 1-10 К). Практично досяжні максимальні часи релаксації обмежують знизу область частот (n = w/2p > 10 9 гц ), в якій можливе спостереження Ц. р.. у твердих провідниках.

Ц. р. можна спостерігати в різних провідниках: у газовій плазмі (на електронах і іонах), в металах (на електронах провідності), в напівпровідниках и діелектриках (на нерівноважних носіях, що збуджуються світлом, нагрівом і т.д.), а також в двомірних системах (див. нижче). Проте термін "Ц. р. "утвердився переважно у фізиці твердого тіла , коли випромінювання середовища, обумовлене квантовими переходами між рівнями Ландау, відсутній.

Ц. р. у напівпровідниках передбачений Я. Г. Дорфманом (1951, СРСР) і Р. Динглеи (1951, Великобританія), виявлений Д. Дресселхаусом, А. Ф. кіп, Ч. Кіттеля (1953, США). Спостерігається на частотах ~ 10 10 -10 11 гц в полях 1-10 ке. Т. к. концентрація вільних носіїв струму, порушуваних світлом, нагрівом і ін, зазвичай не перевершує 10 14 -10 15 см - 3 , то Ц. р. спостерігається на частотах w >> w п = , де w п - плазмова частота. Для хвиль таких частот Середа практично прозора, і її коефіцієнт заломлення близький до 1. Т. к. при зазначених частотах довжина хвилі l ~ 1 см, а діаметри орбіт електронів порядку мікрометрів, то носії струму рухаються в практично однорідному електромагнітному полі. Ц. р., спостережуваний в однорідному електромагнітному полі, називають також діамагнітним резонансом, маючи на увазі, що циклотронний рух носіїв струму приводить до діамагнетизму електронного газу (див. Ландау діамагнетизм ).

Якщо для спостереження Ц. р.. використовувати хвилю, циркулярно поляризовану в площині, перпендикулярній Н, то поглинати електромагнітну енергію будуть заряджені частинки, що обертаються в тому ж напрямку, що і вектор поляризації. На цьому явищі грунтується визначення знака заряду носіїв струму в напівпровідниках.

Ц. р. у металах. Метали, у яких концентрація носіїв струму N "10 22 см -3 , мають високу електропровідність. В них Ц. р.. спостерігався на частотах W << w п. При цьому електромагнітні хвилі майже повністю відбиваються від поверхні зразка, проникаючи в метал на невелику глибину скін-шару d "10 -5 см (див. Скін- ефект ). У результаті цього електрони провідності рухаються в сильно неоднорідному електромагнітному полі (як правило, діаметр їх орбіти D>> d). Якщо постійне магнітне поле Н паралельно поверхні зразка, то серед електронів є такі, які, хоча і рухаються велику частину часу в глибині металу, де електричного поля немає, проте на короткий час повертаються в скін-шар, де взаємодіють з електромагнітною хвилею ( рис. 1 , б). Механізм передачі енергії від хвилі до носіїв струму в цьому випадку аналогічний роботі циклотрона ; резонанс виникає, якщо електрон потраплятиме в скін-шар кожного разу при одній і тій же фазі електричного поля, що можливо при nW = w. Ця умова відповідає резонансам, періодично повторюваним при зміні величини 1 / Н ( рис. 2 ).

Якщо Н направлено під кутом до поверхні металу, то через неможливості багаторазового повернення електрона в скін-шар і доплерівського зсуву частоти (див. Доплера ефект ), пов'язаного з дрейфом електронів уздовж поля, резонансні лінії розширюються, а їх амплітуда падає, так що вже при малих кутах нахилу (10?? -100'') Ц. р., що відповідає умові n W = w , в загальному випадку перестає спостерігатися.

У металах в тих же умовах, що і Ц. р., може спостерігатися близьке до нього за природою явище - резонансне зміна поверхневої провідності через квантових переходів між магнітними поверхневими рівнями (виявлено М. С. Хайкіним, 1960, СРСР, теорія розроблена Ц. В. Ні і Р. С. пранг, 1967, США). Ці рівні виникають, якщо електрони при русі в магнітному полі можуть дзеркально відбиватися від поверхні зразка, здійснюючи тим самим періодичний рух по орбітах ( рис. 1 , в). Періодичне рух квантоване, і дозволеними виявляються такі орбіти, для яких потік Ф магнітного поля через сегмент, утворений дугою траєкторії і поверхнею зразка (заштрихован на рис. 1 , в) , дорівнює: Ф = (n + 1/4) Ф 0.

Ц. р. в двомірних системах. Якщо до напівпровідника прикласти постійне електричне поле, перпендикулярне поверхні, то в поверхневому шарі (завтовшки ~ 10-100 ) виникає надлишкова концентрація носіїв струму, які можуть вільно рухатися тільки вздовж поверхні. Аналогічно може утворитися провідний шар електронів над поверхнею діелектрика (у вакуумі) при опроміненні його потоком електронів. У магнітному полі в таких двомірних системах спостерігається резонансне поглинання енергії електромагнітної хвилі з частотою w = еН / mc. Спостерігається також Ц. р. електронів, локалізованих над поверхнею рідкого гелію на частоті ~ 10 10 гц (Т. Р. Браун, С. С. Граймс, 1972, США) і у поверхні напівпровідників на частоті ~ 10 12 гц.

Ц. р. зазвичай вивчається методами радіоспектроскопії і інфрачервоної оптики.

Ц. р. широко застосовується у фізиці твердого тіла при вивченні енергетичного спектру електронів провідності, в першу чергу для точного виміру їх ефективної маси m *. Шляхом дослідження Ц. р. було встановлено, що ефективна маса анізотропна і її характерні значення складають ~ (10 -3 -10 -1 ) m0 (m0 - маса вільного електрона) в напівпровідниках і напівметалах; (10 -1 -10) m0 в хороших металах і більше 10 m0 в діелектриках. За допомогою Ц. р. можливе визначення знака заряду носіїв, вивчення процесів їх розсіювання і електрон-фононної взаємодії в металах. Змінюючи орієнтацію постійного магнітного поля відносно кристалографічних осей, можна визначити компоненти тензора ефективних мас. Можливе застосування Ц. р. в техніці НВЧ для генерації та посилення електромагнітних коливань ( мазер на Ц. р.).

Літ.: Займан Дж. М., Електрони і фонони, пер. з англ., М., 1962; Абрикосов А. А., Введення в теорію нормальних металів, М., 1972; Хайкін М. С., Магнітні поверхневі рівні, «Успіхи фізичних наук", 1968, т. 96, в. 3.

© В. С. Едельман.?





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка