Helicon (fizică)

Helikon ( greaca veche ἕλιξ , gen. ἕλικος - inel, spirală) este o undă electromagnetică de joasă frecvență care apare într-o plasmă necompensată situată într-un câmp magnetic extern constant .

Din istoria descoperirii

Existența excitațiilor electromagnetice de tip helicon în plasma solidelor a fost prezisă în 1960 : în metale - de O. V. Konstantinov și V. I. Perel [1] , în semiconductori - de P. Egren [2] . Termenul „helicon” a fost introdus de Egren și reflecta natura circulară a polarizării acestei unde. Un an mai târziu, heliconii au fost detectați experimental în sodiu [3] . În același an, s-a stabilit că așa-numitele „atmosfere șuieratoare” (fluieratoare) sunt unde elicon care se propagă în plasma gazoasă a ionosferei Pământului .

Moduri de existență a elicoanelor

Posibilitatea de propagare a undelor electromagnetice în medii bine conductoare în prezența unui câmp magnetic puternic poate fi explicată după cum urmează. În absența unui câmp magnetic, efectul pielii are loc în mediu : sub acțiunea radiațiilor cu o frecvență mai mică decât cea plasmatică , apar curenți care ecranează perturbarea electromagnetică și o împiedică să pătrundă adânc în substanță. Câmpul magnetic slăbește această ecranare, determinând purtătorii de sarcină să se miște într-un mod mai ordonat sub influența forței Lorentz și împiedicându-i să răspundă eficient la câmpul undelor electromagnetice. Acest lucru face posibil ca eliconurile de joasă frecvență să se propagă în mediu.

În funcție de raportul dintre calea liberă medie a purtătorilor de sarcină și lungimea de undă a excitației electromagnetice, se disting modurile „locale” și „non-locale” de propagare a heliconului. Pentru a lua în considerare fiecare dintre aceste cazuri, este necesar să se aplice diverse abordări teoretice și experimentale.

Modul local

Condiția localității poate fi scrisă ca , unde este numărul de undă al eliconului, este calea liberă medie a purtătorilor de sarcină ( electroni ). Principalele caracteristici ale undelor helicon pot fi obținute în modelul cu electroni liberi . Având în vedere incidența undei de frecvență electromagnetică pe un mediu conductor în condiții de echilibru instantaneu, se poate obține relația de dispersie pentru elicon: $ql<<1$ $q$ $l$ $\omega$

$q_{\pm }^{2}=\omega \mu _{0}/\rho (\pm u+i)\cos \phi$ ,

unde este permeabilitatea magnetică a vidului , este rezistența , este tangenta unghiului Hall dintre curent și intensitatea câmpului electric , este un câmp magnetic constant , este unghiul dintre și . Aici , este masa electronului, este sarcina acestuia , este densitatea electronilor, este timpul caracteristic în care purtătorii pierd impuls în ciocnirile cu rețeaua; este constanta Hall , este frecvența ciclotronului a purtătorilor. Condiția pentru propagarea undelor este inegalitatea . Într-un metal semi-infinit , un elicon care se propagă de-a lungul unui câmp magnetic constant este o undă transversală polarizată circular ale cărei câmpuri electrice și magnetice se rotesc în jurul direcției de propagare în aceeași direcție cu electronii. $\mu_{0}$ $\rho =m/ne^{2}\tau$ $u=RB_{0}/\rho =\omega _{c}\tau$ $B_{0}$ $\phi$ $q$ $B_{0}$ $m$ $e$ $n$ $\tau$ $R=1/ne$ $\omega _{c}=eB_{0}/m$ $|{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|$

În cazul general, este necesar să se țină seama de natura tensorală a parametrilor medii, în special, de rezistență , precum și de condițiile la limită în situația structurilor limitate spațial. $\rho$

Mod non-local

Condiția pentru non-localitate este relația , adică multe lungimi de undă ale heliconului se potrivesc în calea liberă medie . Prin urmare, în acest caz, mișcarea microscopică (ciclotron) a purtătorilor de sarcină nu poate fi neglijată. Din punct de vedere matematic, acest lucru duce la necesitatea calculării tensorului de conductivitate non-local . Imaginea fizică în cazul nelocal este determinată de efectele absorbției undelor fără coliziune de către purtători, ale căror cazuri extreme sunt rezonanța ciclotronului deplasat Doppler (condiția de absorbție , unde este viteza electronilor liberi egală cu viteza Fermi ) și Landau magnetic. amortizare ( ). Aceste procese limitează semnificativ domeniul de existență a undelor helicon care se propagă. $ql>>1$ $qV_{F}/\omega _{c}>1$ $V_{F}$ $qV_{F}/\omega _{c}<<1$

Experimente cu elicoane

Metode de cercetare

Principalele metode de observare și studiere a elicoanelor includ:

Metoda bobinelor încrucișate (o bobină excită eliconul, iar a doua, ortogonală cu acesta, își înregistrează câmpul în probă)
Metoda de interferometrie (semnalul total de ieșire este rezultatul interferenței semnalului eliconului cu un semnal de referință)
Interferometrie cu o singură bobină (pentru măsurarea semnalelor de înaltă frecvență)
Metode de impedanță de suprafață

Rezultatele cercetării

Observațiile experimentale ale elicoanelor în regim local fac posibilă măsurarea constantei Hall, magnetoresistenței și absorbției de suprafață a undelor pentru diferite geometrii de probă.

Experimentele în regim non-local în condiții de absorbție cu ciclotron și amortizare Landau fac posibilă determinarea impedanței de suprafață a probelor, forma suprafeței Fermi și evaluarea rolului coliziunilor în procesele de amortizare. O zonă separată de cercetare este studiul interacțiunii elicoanelor cu alte tipuri de excitație în materie: cu sunetul ( interacțiunea helicon-fonon , care permite excitarea electromagnetică a undelor acustice ), cu momentele magnetice ale nucleelor ( absorbția RMN a helicon), cu unde de spin în feromagneți ( interacțiune helicon-magnon ).

De obicei, heliconurile din experimentele de laborator sunt obținute în plasmă de solide sau tuburi de descărcare cu plasmă de gaz. În 2015, cercetătorii americani au raportat că au obținut eliconi într-o plasmă nerestricționată, departe de orice suprafață. Această realizare face posibilă studierea în laborator a apariției unor astfel de unde într-o situație apropiată de condițiile existente în spațiul cosmic. [patru]

Note

↑ O.V. Constantinov, V.I. Perel . Despre posibilitatea trecerii undelor electromagnetice printr-un metal într-un câmp magnetic puternic // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Proc. Int. Conf. on Semiconduction Phys., Praga, 1960. - P. 224 .
↑ R. Bowers, C. Legendy și F. Rose. Efect galvanomagnetic oscilator în sodiul metalic // Fiz. Rev. Lett. - 1961. - T. 7 , nr 9 . - S. 339-341 .
↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Vol. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Literatură

Kaner E. A. Helikon Arhivat 22 martie 2012 la Wayback Machine // Encyclopedia of Physics. - T. 1. - M .: Sov. Encicl., 1988. - S. 428.
Maxfield B. Helicons în solide // Progrese în științe fizice . - Academia Rusă de Științe , 1971. - T. 103 , numărul. 2 . - S. 233-273 . (Rusă)
Skobov VG, Kaner EA Unde electromagnetice în metale într-un câmp magnetic // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusă de Științe , 1966. - T. 89 , nr. 7 . (Rusă)
Stările Skyrmion în cristale lichide chirale J. de Matteis, L. Martina, V. Turco