ЦИКЛОТРО́ННЫЙ РЕЗОНА́НС
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЦИКЛОТРО́ННЫЙ РЕЗОНА́НС, резонансное поглощение электромагнитной энергии полупроводниками и металлами, помещёнными в постоянное магнитное поле, на частотах, равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда (электронов и дырок). Ц. р. предсказан Я. Г. Дорфманом в 1951 и брит. учёным P. Динглем в 1952; экспериментально обнаружен амер. физиком Ч. Киттелем с сотрудниками в 1953.
В постоянном магнитном поле напряжённостью $\boldsymbol H$ носители заряда движутся по спирали, ось которой направлена вдоль $\boldsymbol H$ (рис., а). В плоскости, перпендикулярной $\boldsymbol H$ (рис., б), движение является периодическим с циклотронной частотой $ω_c= |e|H/m_cc$, где $e$ и $т_c$ – заряд и эффективная масса носителей заряда, $c$ – скорость света. С такой же частотой $ω_c$ поворачивается вектор скорости $\boldsymbol v$ частицы. Если при этом частица находится в периодич. электрич. поле напряжённостью $\boldsymbol E(t)$ с частотой $ω$, то энергия, поглощаемая ею в единицу времени, $eEv$, также оказывается периодич. функцией времени $t$ с разностной угловой частотой $ω_c-ω$; с такой же частотой изменяются радиус спирали и кинетич. энергия носителя заряда. При $ω_c=ω$ носитель движется по раскручивающейся спирали и поглощаемая мощность возрастает. Рассеяние носителей заряда в твёрдом теле ограничивает это возрастание: при $ω_c=ω$ поглощаемая мощность имеет максимум, если рассеяние является достаточно слабым. Это означает, что носитель должен успеть сделать много оборотов по спирали за время релаксации $τ$ (время между двумя актами рассеяния), и приводит к условию наблюдения Ц. р.: $ω_cτ ≫ 1$.
В слабых магнитных полях, в которых можно пренебречь квантованием кинетич. энергии поперечного (относительно $\boldsymbol H$) движения носителей ($\hbar ω_c ≪ kT$, где $\hbar$ – постоянная Планка, $k$ – постоянная Больцмана), Ц. р. называется классическим. В квантующем магнитном поле ($\hbar ω_c ≫ kT$) происходит возбуждение внешним переменным полем переходов носителей заряда между Ландау уровнями, что приводит к поглощению электромагнитной энергии с максимумом на частоте, при которой энергия кванта излучения $\hbar ω$ равна расстоянию между соседними уровнями Ландау $\hbar ω_c$.
В полупроводниках Ц. р. наблюдается на частотах 1010- 1012 Гц в полях 1-100 кЭ (≈105–107 А/м). T. к. концентрация носителей заряда мала (обычно не превосходит 1020-1021 м–3), электромагнитные волны проникают в образец на большую глубину, значительно превосходящую диаметры орбит электронов (порядка мкм). T. о., носители движутся в однородном электрич. поле, и Ц. р., как правило, наблюдается только при $ω=ω_с$.
В металлах электромагнитные волны почти полностью отражаются от поверхности, проникая в металл на глубину скин-слоя $δ$≈10–7 м (см. Скин-эффект). В результате этого электроны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагнитном поле (как правило, диаметр их орбиты $D ≫ δ$). Если постоянное магнитное поле $\boldsymbol H$ параллельно поверхности образца, то среди электронов есть такие, которые, хотя и движутся бóльшую часть времени в глубине металла, где электрич. поля нет, однако на короткое время заходят в скин-слой, где взаимодействуют с электромагнитной волной (рис., а, б). Механизм передачи энергии от волны к носителям тока в этом случае аналогичен работе циклотрона; резонанс возникнет, если электрон будет попадать в скин-слой каждый раз при одной и той же фазе электрич. поля, что возможно при $ω=nω_c$ ($n$ – целое положительное число).
Ц. р. – важный метод исследования в физике твёрдого тела. Он даёт возможность определить закон дисперсии носителей заряда, их знак, эффективную массу, концентрацию, времена жизни; определить форму и размеры ферми-поверхности; позволяет изучить механизмы рассеяния носителей заряда и электронно-фононного взаимодействия, разогрев носителей переменным полем и др.
