Циклотронний резонанс
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
iйна; це ясно вже з того, що магнiтна сила, що дiСФ на електрон, рiвна i також рана В результатi швидкiсть руху електрона по орбiтi в реальному просторi не постiйна.
У експериментах по циклотронному резонансу використовуСФться поглинання електромагнiтноi енергii на радiочастотi, коли магнiтна iндукцiя B пiдiбрана таким чином, що . Тодi використання рiзних комбiнацiй i дозволяСФ (в принципi) отримати iнформацiю щодо тензора ефективноi маси для електрона з енергiСФю Фермi. Фактична теорiя циклотронного резонансу набагато складнiша як для напiвпровiдникiв, так i для металiв.
Для напiвпровiдникового матерiалу, в якому щiльнiсть вiльних електронiв мала, експерименти по циклотронному резонансу можуть бути виконанi з електромагнiтними хвилями, проникаючими в тверде тiло. Труднiсть, якi при цьому виникають, повязанi з топологiСФю поверхонь постiйноi енергii i з гiбридними плазмовими резонансами, у тому випадку, коли концентрацiя вiльних електронiв не дуже мала.
Частоти, використовуванi для дослiдження циклотронного резонансу в металi, завжди значно менше плазмовоi частоти (оскiльки концентрацiя електронiв в металi настiльки велика, що i частота стаСФ великою). Для речова частина дiелектричноi проникностi негативна. Вiдповiдно до цього метал для таких частот непрозорий i глибина проникнення (товщина скин-слоя) значно менше товщини зразка. В цьому випадку вiд середньоi довжини вiльного пробiгу електрона залежить, чим визначатимуться електричнi характеристики поверхнi для електромагнiтних хвиль радiодiапазону: нормальним скiн-ефектом або аномальним скiн-ефектом. Перший випадок здiйснюСФться при а другий при.
У останньому випадку можна порушити циклотронний рух, комбiнуючи дiю постiйноi магнiтноi iндукцii (наприклад, BZ) i високочастотного електромагнiтного поля при цьому використовуСФться геометрiя, запропонована Азбелем i Канером мал.2. Названi автори вказали, що якщо постiйна магнiтна iндукцiя BZ лежить в площинi поверхнi, то циклотронний рух повинен вiдбуватися в площинi, що перетинаСФ поверхню. Деякi циклотроннi орбiти при цьому досягають областi високочастотного скiн-шару, орбiтам, наближаючись до поверхнi, можуть випробовувати дiю високочастотного поля з кутовою частотою i циклотронною частотою с. Таким чином, поверхневий iмпеданс кристала по вiдношенню до високочастотного випромiнювання СФ функцiСФю величини магнiтноi iндукцii.
Мал.2. Геометрiя Азбеля-Канера для спостереження циклотронного резонансу в металевому кристалi
Заштрихований скiн-шар, що маСФ глибину для високочастотного випромiнювання з частотою Показана одна з можливих орбiт, що проходять через поверхневий шар. Така орбiта може вiдповiдати циклотронному руху, що виникаСФ пiд дiСФю магнiтноi iндукцii Bz, прикладеноi в площинi поверхнi. Спостереження резонансу Азбеля-Канера повинне проводитися на металевому монокристалi високоi частоти i досконалостi, Високоi частоти i досконалостi, одна грань якоi [наприклад, (100) або (111)] оброблена з особливою ретельнiстю, щоб при низьких температурах середнiй час вiльного пробiгу (а отже, середня довжина вiльного пробiгу) був великий як в обСФмi кристала, так i в скiн-шарi. Енергiя високочастотного поля може бути повязана з енергiСФю кругового руху електронiв за умови . Якщо при цьому також сm, то може спостерiгатися гострий циклотронний резонанс, коли частота рiвна або кратна с.
Для успiшного спостереження резонансних явищ слiд працювати з чистим досконалим монокристалом при низьких температурах, щоб середня довжина вiльного пробiгу була велика в порiвняннi з розмiром циклотронноi орбiти. Поверхня, на яку падаСФ високочастотне випромiнювання, повинна бути хорошоi якостi, щоб значення в при поверхневому шарi було таким же, як в обСФмi. У цих умовах значення буде великим в порiвняннi з товщиною скiн-шару i рухомий по колу електрон взаСФмодiятиме з високочастотним полем тiльки протягом малоi частки свого перiоду звернення. Азбель i Канер вказали, що при i cm 1 взаСФмодiя мiж високочастотним полем i циклотронним рухом може бути забезпечене як при з, так i при значеннi, достатньо малому кратному с. Хай Bc - магнiтна iндукцiя, при якiй с. Для магнiтноi iндукцii, складовiй цiлу частку вiд Bc, iнтервал мiж двома послiдовними попаданнями даного електрона в поверхневий шар рiвний декiльком перiоду високочастотного поля. Проте i в цьому випадку високочастотне поле зможе повторити свою дiю на електрон в той момент, коли вiн знову опиниться бiля поверхнi.
Мал.3. Залежнiсть поверхневого опору (речовiй частинi поверхневого iмпедансу) для вiльного електронного газу в металi при частотi високочастотного поля вiд iндукцii B (верхня крива)
По осi абiис отложна нормована величина B/Bc, де
Bc=индукция ,
для якоi i циклотронна частота спiвпадають. Ця крива може бути розрахована по формулi моделi Азбеля-Канера.
Азбель i Канер встановили, що залежнiсть комплексного поверхневого iмпедансу вiд магнiтноi iндукцii визначаСФться виразом
,
де магнiтна iндукцiя входить у величину . Оiилююча поведiнка речовоi частини цього iмпедансу (поверхневого опору) показана на рис.3. Там же показаний хiд похiдноi () величини, яку можна вимiрювати безпосередньо в експериментi.
Мал.4. Результати експериментального спостереження резонансу Азбеля-Канера в кристалi чистоi мiдi при двох температурах
Крива для вищоi температури згладжена iз