Cyklotronresonans

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 3 april 2020; kontroller kräver 8 redigeringar .

Cyklotronresonans (CR) är fenomenet med absorption eller reflektion av elektromagnetiska vågor av ledare placerade i ett konstant magnetfält vid frekvenser lika med eller multiplar av cyklotronfrekvensen för laddningsbärare .

Historik

Fenomenet förutspåddes av Ya. G. Dorfman och, oberoende av honom, den engelske fysikern G. Dingle [1] . Den första observationen av cyklotronresonans gjordes 1953 av A. Kip, J. Dresselhaus och C. Kittel på germaniumkristaller [ 2] . 1956-1958 förutspådde de sovjetiska fysikerna M. Ya. Azbel och E. A. Kaner teoretiskt cyklotronresonans i metaller [3] och utvecklade dess teori [4] , som ett resultat av vilken själva fenomenet kallades Azbel-Kaner cyklotronresonans (effekt) [5] [6] [7] .

Beskrivning av fenomenet

I ett konstant magnetfält rör sig laddningsbärare i spiraler , vars axlar är riktade längs magnetfältslinjerna. I ett plan vinkelrätt mot magnetfältet H är rörelsen periodisk med en frekvens . Denna frekvens definieras som (i CGS- systemet ). $\omega_{c}$ $\omega _{c}={\frac {qH}{m_{c}c}}$

Hastighetsvektorn roterar också med samma frekvens. Om, i detta fall, partikeln befinner sig i ett enhetligt elektriskt fält med en frekvens visar sig energin som absorberas av den också vara periodisk i tiden med en frekvens . Den genomsnittliga energi som absorberas under lång tid ökar kraftigt vid . $\omega$ ${\displaystyle \omega =\omega _{c))$ $\omega \approx \omega _{c}$

Observationsvillkor

Cyklotronresonans kan observeras om laddningsbärare gör många varv innan de försvinner. Detta tillstånd har formen , där är den genomsnittliga tiden mellan kollisioner. I en solid spelas huvudrollen av spridning av gallerdefekter och spridning av fononer . Den senare processen sätter en begränsning på observationen av CR vid låga temperaturer T < 10 K för "normala" frekvenser och magnetfält (cyklotronresonans vid rumstemperatur kan observeras i superstarka magnetfält ). ${\omega _{c))\tau \gg 1$ $\tau$

Matematisk beskrivning

När man observerar CR visar sig radien för cyklotronbanan vara mycket mindre än strålningsvåglängden , vilket gör det möjligt att introducera ett lokalt samband mellan den inducerade strömtätheten och den elektriska fältstyrkan , och använda dipolapproximationen . I det här fallet beskrivs den absorberade effekten per volymenhet med följande uttryck:

$P={\frac {1}{2}}Re(j_{i}E_{i}^{*})={\frac {1}{2}}(\sigma _{{ij}}E_{j }E_{i}^{*})$ .

Formen på absorptionslinjen ges av den verkliga delen . Den klassiska teorin om cyklotronresonans för en isotrop effektiv massa ger följande uttryck för : $\sigma$ $Re\sigma$

$Re\sigma _{{\pm }}=\sigma _{0}{\frac {1/\tau }{(\omega \pm \omega _{c})^{2}+1/\tau ^{ 2}}}$ , , där är partikelkoncentrationen , är laddningen , är den effektiva cyklotronmassan och är medeltiden mellan kollisioner. $\sigma _{0}={\frac {Nq^{2}\tau }{m_{c}}}$ $N$ $q$ $m_{c}$ $\tau$

Det kan ses att CR-linjen är en Lorentz-linje , vars kvalitetsfaktor bestäms av . $\omega _{c}\tau$

Tillämpning av CR

Studiet av cyklotronresonans är en effektiv metod för att bestämma egenskaperna hos olika material. Först och främst används CR för att bestämma de effektiva massorna av bärare.

Från CR-linjens halva bredd kan man bestämma de karakteristiska spridningstiderna och därigenom bestämma bärarmobiliteten .

Linjens area kan användas för att bestämma koncentrationen av laddningsbärare i provet.

CR används också för att avsätta tunna filmer av halvledarmaterial. Användningen av CR gör det möjligt att avsätta filmer vid ett lägre resttryck ( 10 -7 Torr ). Användningen av CR låter dig använda effekten av "kall plasma" .

Länkar

↑ Dorfman Ya. G. Angående termen "cyklotronresonans". UFN 61 133–134 (1957)
↑ Dresselhaus, G., Kip, A.F. och Kittel, C., Phys. Upps. 92, 827 (1953), brev.
↑ VETENSKAPLIG REVISION AV STUDIER I UKRAINA, TILLVÄXT FÖR PERIODEN 1938-1990 (statlig registrering) Vetenskap och innovation. 2008. T 4. No 5. S. 47
↑ Teorin om cyklotronresonans i metaller
↑ Jenö Sólyom "Fundamentals of the Physics of Solids: Volume II: Electronic Properties"
↑ Rudolf Herrmann, Uwe Preppernau "Elektronen im Kristall"
↑ Azbel – Kaner Cyclotron Resonance