Helicon (fysik)

Helikon ( forngrekiska ἕλιξ , släkte. ἕλικος - ring, spiral) är en lågfrekvent elektromagnetisk våg som uppstår i en okompenserad plasma belägen i ett yttre konstant magnetfält .

Från upptäcktens historia

Förekomsten av elektromagnetiska excitationer av helikontyp i plasma av fasta ämnen förutspåddes 1960 : i metaller  - av O. V. Konstantinov och V. I. Perel [1] , i halvledare  - av P. Egren [2] . Termen "helikon" introducerades av Egren och återspeglade den cirkulära naturen hos denna vågs polarisering . Ett år senare upptäcktes helikoner experimentellt i natrium [3] . Samma år fastställdes att de så kallade "whistling atmospherics" (whistlers) är helikonvågor som fortplantar sig i den gasformiga plasman i jordens jonosfär .

Tillstånd för helikons existens

Möjligheten av utbredning av elektromagnetiska vågor i välledande medier i närvaro av ett starkt magnetfält kan förklaras enligt följande. I frånvaro av ett magnetiskt fält sker hudeffekten i mediet : under inverkan av strålning med en frekvens som är lägre än plasman uppstår strömmar som avskärmar den elektromagnetiska störningen och hindrar den från att tränga djupt in i ämnet. Magnetfältet försvagar denna avskärmning, vilket gör att laddningsbärarna rör sig på ett mer ordnat sätt under påverkan av Lorentzkraften och hindrar dem från att reagera effektivt på det elektromagnetiska vågfältet. Detta gör det möjligt för lågfrekventa helikoner att fortplanta sig i mediet.

Beroende på förhållandet mellan den fria medelvägen för laddningsbärare och våglängden för elektromagnetisk excitation, särskiljs "lokala" och "icke-lokala" moder för helikonutbredning. För att överväga vart och ett av dessa fall är det nödvändigt att tillämpa olika teoretiska och experimentella tillvägagångssätt.

Lokalt läge

Lokalitetsvillkoret kan skrivas som , där  är helikonens vågnummer,  är den genomsnittliga fria vägen för laddningsbärare ( elektroner ). Huvuddragen för helikonvågor kan erhållas i frielektronmodellen . Med tanke på förekomsten av en elektromagnetisk frekvensvåg på ett ledande medium under förhållanden med momentan jämvikt, kan man få spridningsförhållandet för helikonen:

,

var  är den magnetiska permeabiliteten för vakuumet ,  är resistansen ,  är tangenten för Hall-vinkeln mellan strömmen och den elektriska fältstyrkan ,  är ett konstant magnetfält ,  är vinkeln mellan och . Här  är massan av elektronen,  är dess laddning ,  är densiteten av elektroner,  är den karakteristiska tiden under vilken bärarna tappar fart vid kollisioner med gittret;  är Hall-konstanten ,  är cyklotronfrekvensen för bärare. Förutsättningen för att utbreda vågor är ojämlikheten . I en semi-oändlig metall är en helikon som utbreder sig längs ett konstant magnetfält en tvärgående cirkulärt polariserad våg vars elektriska och magnetiska fält roterar runt utbredningsriktningen i samma riktning som elektronerna.

I det allmänna fallet är det nödvändigt att ta hänsyn till tensornaturen hos mediumparametrarna, i synnerhet motståndet , såväl som gränsvillkoren i situationen med rumsligt begränsade strukturer.

Icke-lokalt läge

Villkoret för icke-lokalitet är relationen , det vill säga många helikonvåglängder passar inom den genomsnittliga fria banan . Därför kan i detta fall den mikroskopiska (cyklotron) rörelsen hos laddningsbärare inte försummas. Ur en matematisk synvinkel leder detta till behovet av att beräkna den icke- lokala konduktivitetstensorn . Den fysiska bilden i det icke-lokala fallet bestäms av effekterna av kollisionsfri vågabsorption av bärare, vars extrema fall är Doppler-förskjuten cyklotronresonans (absorptionsvillkor , där  är hastigheten för fria elektroner lika med Fermi-hastigheten ) och Landau magnetisk dämpning ( ). Dessa processer begränsar avsevärt räckvidden för förekomsten av fortplantande helikonvågor.

Experiment med helikoner

Forskningsmetoder

De viktigaste metoderna för att observera och studera helikoner inkluderar:

Forskningsresultat

Experimentella observationer av helikoner i det lokala regimen gör det möjligt att mäta Hall-konstanten, magnetoresistans och ytabsorption av vågor för olika provgeometrier.

Experiment i den icke-lokala regimen under förhållanden med cyklotronabsorption och Landau-dämpning gör det möjligt att bestämma ytimpedansen för prover, formen på Fermi-ytan och att utvärdera rollen av kollisioner i dämpningsprocesser. Ett separat forskningsområde är studiet av växelverkan mellan helikoner och andra typer av excitation i materia: med ljud ( helikon-fonon-interaktion , som tillåter elektromagnetisk excitation av akustiska vågor ), med magnetiska moment av kärnor ( NMR- absorption av helikon), med spinnvågor i ferromagneter ( helikon-magnon interaktion ).

Vanligtvis erhålls helikoner i laboratorieexperiment i plasma av fasta ämnen eller urladdningsrör med gasplasma. 2015 rapporterade amerikanska forskare att de skaffade helikoner i en obegränsad plasma, borta från alla ytor. Denna prestation gör det möjligt att i laboratoriet studera förekomsten av sådana vågor i en situation nära de förhållanden som råder i yttre rymden. [fyra]

Anteckningar

  1. ↑ O.V. Konstantinov, V.I. Perel . Om möjligheten att elektromagnetiska vågor passerar genom en metall i ett starkt magnetfält // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
  2. ↑ P. Aigrain. Les "Helicons" i les semiconducteurs // Proc. Int. Konf. on Semiconduction Phys., Prag, 1960. - S. 224 .
  3. ↑ R. Bowers, C. Legendy och F. Rose. Oscillerande galvanomagnetisk effekt i metalliskt natrium // Phys. Varv. Lett. - 1961. - T. 7 , nr 9 . - S. 339-341 .
  4. ↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Vol. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Litteratur