|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Циклотронный резонанс | Циклотронный резонанс (далее Ц) избирательное поглощение электромагнитной энергии носителями заряда в проводниках, помещенных в поле при частотах, равных или кратных их циклотронной частоте. При Ц наблюдается резкое возрастание электропроводности проводников. В постоянных электрическом Е и Н полях носители тока - заряженные частицы - движутся под действием Лоренца силы по спиралям, оси которых направлены вдоль поля (рис. 1, а). В плоскости, перпендикулярной полю, движение является периодическим с циклотронной частотой ; если при этом на частицу действует однородное периодическое электрическое поле Е частоты w, то энергия, поглощаемая ею, также оказывается периодической функцией времени t с угловой частотой, равной разности частот: - w. Поэтому средняя энергия, поглощаемая за большое время, резко возрастает в случае w = . Увеличение энергии частицы приводит к росту диаметра орбиты и к появлению добавочной средней скорости частиц Dv, т. е. к росту электропроводности, пропорциональной Nev/E ( - концентрация носителей тока).
Периодическому движению носителей в поле соответствует появление дискретных разрешенных состояний (уровней Ландау) с условием квантования: Ф = (n + 1/2) Ф0, где Ф - поток поля, охватываемый движущимся зарядом, Ф0 = ch/2e - квант потока (h - Планка постоянная), n - целое число. Частота квантовых переходов между соседними эквидистантными уровнями и есть циклотронная частота. Т. о., Ц можно трактовать как возбуждение внешним переменным полем переходов носителей тока между уровнями Ландау.
Ц может наблюдаться, если носители тока совершают много оборотов, прежде чем испытают столкновение с др. частицами и рассеются. Это условие имеет вид: Wt > 1, где t - среднее время между столкновениями (время релаксации), определяемое физическими свойствами проводника. Например, в газовой плазме - это время между столкновениями свободных электронов с др. электронами, с ионами или нейтральными частицами. В твердом проводнике определяющую роль играют столкновения электронов проводника с дефектами решетки (t " 10-9-10-11 сек) и рассеяние на ее тепловых колебаниях (электрон-фононное взаимодействие). Последний процесс ограничивает область наблюдения Ц низкими температурами (~ 1-10 К). Практически достижимые максимальные времена релаксации ограничивают снизу область частот (n = w/2p > 109 гц), в которой возможно наблюдение Ц в твердых проводниках.
Ц можно наблюдать в различных проводниках: в газовой плазме (на электронах и ионах), в металлах (на электронах проводимости), в полупроводниках и диэлектриках (на неравновесных носителях, возбуждаемых светом, нагревом и т.д.), а также в двухмерных системах (см. ниже). Однако термин "Ц" утвердился главным образом в физике твердого тела, когда излучение среды, обусловленное квантовыми переходами между уровнями Ландау, отсутствует.
Ц в полупроводниках предсказан Я. Г. Дорфманом (1951, СССР) и Р. Динглом (1951, Великобритания), обнаружен Д. Дресселхаусом, А. Ф. Киппом, Ч. Киттелом (1953, США). Наблюдается на частотах ~ 1010-1011 гц в полях 1-10 кэ. Т. к. концентрация свободных носителей тока, возбуждаемых светом, нагревом и др., обычно не превосходит 1014-1015 см-3, то Ц наблюдается на частотах w >>wп =  , где wп - плазменная частота. Для волн таких частот среда практически прозрачна, и ее коэффициент преломления близок к 1. Т. к. при указанных частотах длина волны l ~ 1 см, а диаметры орбит электронов порядка микрометров, то носители тока движутся в практически однородном электромагнитном поле. Ц, наблюдаемый в однородном электромагнитном поле, называют также диамагнитным резонансом, имея в виду, что циклотронное движение носителей тока приводит к диамагнетизму электронного газа (см. Ландау диамагнетизм).
Если для наблюдения Ц использовать волну, циркулярно поляризованную в плоскости, перпендикулярной Н, то поглощать электромагнитную энергию будут заряженные частицы, вращающиеся в том же направлении, что и вектор поляризации. На этом явлении основано определение знака заряда носителей тока в полупроводниках.
Ц в металлах. Металлы, у которых концентрация носителей тока " 1022 см-3, обладают высокой электропроводностью. В них Ц наблюдался на частотах << wп. При этом электромагнитные волны почти полностью отражаются от поверхности образца, проникая в металл на небольшую глубину скин-слоя d " 10-5 см (см. Скин-эффект). В результате этого электроны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагнитном поле (как правило, диаметр их орбиты D >> d). Если постоянное поле Н параллельно поверхности образца, то среди электронов есть такие, которые, хотя и движутся большую часть времени в глубине металла, где электрического поля нет, однако на короткое время возвращаются в скин-слой, где взаимодействуют с электромагнитной волной (рис. 1, б). Механизм передачи энергии от волны к носителям тока в этом случае аналогичен работе циклотрона; резонанс возникает, если электрон будет попадать в скин-слой каждый раз при одной и той же фазе электрического поля, что возможно при nW = w. Это условие отвечает резонансам, периодически повторяющимся при изменении величины 1/Н (рис. 2).
Если Н направлено под углом к поверхности металла, то из-за невозможности многократного возвращения электрона в скин-слой и доплеровского сдвига частоты (см. Доплера эффект), связанного с дрейфом электронов вдоль поля, резонансные линии уширяются, а их амплитуда падает, так что уже при малых углах наклона (10"-100") Ц, отвечающий условию n = w, в общем случае перестает наблюдаться.
В металлах в тех же условиях, что и Ц, может наблюдаться близкое к нему по природе явление - резонансное изменение поверхностной проводимости из-за квантовых переходов между поверхностными уровнями (обнаружено М. С. Хайкиным, 1960, СССР, теория разработана Ц. В. Ни и Р. С. Пранги, 1967, США). Эти уровни возникают, если электроны при движении в поле могут зеркально отражаться от поверхности образца, совершая тем самым периодическое движение по орбитам (рис. 1, в). Периодическое движение квантовано, и разрешенными оказываются такие орбиты, для которых поток Ф поля через сегмент, образуемый дугой траектории и поверхностью образца (заштрихован на рис. 1, в), равен: Ф = (n + 1/4) Ф0.
Ц в двухмерных системах. Если к полупроводнику приложить постоянное электрическое поле, перпендикулярное поверхности, то в поверхностном слое (толщиной ~ 10-100  ) возникает избыточная концентрация носителей тока, которые могут свободно двигаться только вдоль поверхности. Аналогично может образоваться проводящий слой электронов над поверхностью диэлектрика (в вакууме) при облучении его потоком электронов. В поле в таких двухмерных системах наблюдается резонансное поглощение энергии электромагнитной волны с частотой w = еН/mc. Наблюдается также Ц электронов, локализованных над поверхностью жидкого на частоте ~ 1010 гц (Т. Р. Браун, С. С. Граймс, 1972, США) и у поверхности полупроводников на частоте ~ 1012 гц.
Ц обычно изучается методами радиоспектроскопии и инфракрасной оптики.
Ц широко применяется в физике твердого тела при изучении энергетического спектра электронов проводимости, в первую очередь для точного измерения их эффективной массы m*. Путем исследования Ц было установлено, что эффективная масса анизотропна и ее характерные значения составляют ~ (10-3-10-1) m0 (m0 - масса свободного электрона) в полупроводниках и полуметаллах; (10-1-10) m0 в хороших металлах и более 10 m0 в диэлектриках. При помощи Ц возможно определение знака заряда носителей, изучение процессов их рассеяния и электрон-фононного взаимодействия в металлах. Изменяя ориентацию постоянного поля относительно осей, можно определить компоненты тензора эффективных масс. Возможно применение Ц в технике СВЧ для генерации и усиления электромагнитных колебаний (мазер на Ц).
Лит.: Займан Дж. М., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Хайкин М. С., поверхностные уровни, "Успехи физических наук", 1968, т. 96, в. 3.
В. С. Эдельман.
Рис. 1. Траектории электронов: а - в однородном постоянном магнитном поле Н, при действии переменного электрич. Поля Е^Н; б - в металле в магнитном поле Н, направленном параллельно поверхности металла; в - зеркально отражающихся от поверхности металла.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
