Helikon (fizika)

A Helikon ( ógörögül ἕλιξ , nemzetség. ἕλικος - gyűrű, spirál) egy alacsony frekvenciájú elektromágneses hullám , amely külső állandó mágneses térben elhelyezkedő kompenzálatlan plazmában fordul elő .

A felfedezés történetéből

A szilárd testek plazmájában a helikon típusú elektromágneses gerjesztések létezését 1960 -ban jósolták meg : fémekben - O. V. Konstantinov és V. I. Perel [1] , félvezetőkben - P. Egren [2] . A "helicon" kifejezést Egren vezette be, és ez a hullám polarizációjának körkörös természetét tükrözte . Egy évvel később kísérleti úton helikonokat mutattak ki nátriumban [3] . Ugyanebben az évben megállapították, hogy az úgynevezett "fütyülő atmoszféra" (whistlers) a Föld ionoszférájának gáznemű plazmájában terjedő helikonhullámok.

A helikonok létezési módjai

Az elektromágneses hullámok terjedésének lehetősége jól vezető közegben erős mágneses tér jelenlétében a következőképpen magyarázható. Mágneses tér hiányában a bőrhatás a közegben megy végbe: a plazmánál kisebb frekvenciájú sugárzás hatására olyan áramok keletkeznek , amelyek az elektromágneses zavart kiszűrik, és megakadályozzák, hogy mélyen behatoljon az anyagba. A mágneses tér gyengíti ezt az árnyékolást, aminek következtében a töltéshordozók rendezettebben mozognak a Lorentz-erő hatására , és megakadályozzák, hogy hatékonyan reagáljanak az elektromágneses hullámtérre. Ez lehetővé teszi az alacsony frekvenciájú helikonok terjedését a közegben.

A töltéshordozók átlagos szabad útjának és az elektromágneses gerjesztés hullámhosszának arányától függően a helikon terjedésének "lokális" és "nem lokális" módjait különböztetjük meg. Ezen esetek mindegyikének mérlegeléséhez különféle elméleti és kísérleti megközelítéseket kell alkalmazni.

Helyi mód

A lokalitás feltétele így írható fel , ahol a helikon hullámszáma , a töltéshordozók ( elektronok ) átlagos szabad útja . A helikonhullámok fő jellemzőit a szabad elektron modellben kaphatjuk meg . Figyelembe véve az elektromágneses frekvenciahullámok vezető közegre való beesését pillanatnyi egyensúlyi körülmények között, megkaphatjuk a helikon diszperziós összefüggését: $ql<<1$ $q$ $l$ $\omega$

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

ahol a vákuum mágneses permeabilitása , az ellenállás , az áramerősség és az elektromos térerősség közötti Hall - szög érintője , állandó mágneses tér , a és közötti szög . Itt az elektron tömege , töltése , az elektronok sűrűsége, az a jellemző idő, amely alatt a hordozók elveszítik lendületüket a ráccsal való ütközés során; a Hall-állandó , a hordozók ciklotronfrekvenciája . A hullámok terjedésének feltétele az egyenlőtlenség . A félig végtelen fémben az állandó mágneses tér mentén terjedő helikon egy keresztirányú, körkörösen polarizált hullám, amelynek elektromos és mágneses tere a terjedési irány körül az elektronokkal azonos irányban forog. $\mu_{0}$ $\rho =m/ne^{2}\tau$ $u=RB_{0}/\rho =\omega _{c}\tau$ $B_{0}$ $\phi$ $q$ $B_{0}$ $m$ $e$ $n$ $\tau$ $R=1/ne$ $\omega _{c}=eB_{0}/m$ $|{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|$

Általános esetben figyelembe kell venni a közeg paramétereinek tenzor jellegét, különösen az ellenállást , valamint a peremfeltételeket térben korlátozott szerkezetek esetén. $\rho$

Nem helyi mód

A nem lokalitás feltétele a reláció , vagyis sok helikon hullámhossz belefér az átlagos szabad útba . Ezért ebben az esetben nem elhanyagolható a töltéshordozók mikroszkopikus (ciklotron) mozgása. Matematikai szempontból ez ahhoz vezet, hogy ki kell számítani a nem lokális vezetőképesség tenzort . A fizikai képet nem lokális esetben a hordozók ütközésmentes hullámelnyelése határozza meg, melynek szélső esetei a Doppler-eltolásos ciklotronrezonancia (abszorpciós feltétel , ahol a szabad elektronok sebessége megegyezik a Fermi-sebességgel ) és a Landau mágneses. csillapítás ( ). Ezek a folyamatok jelentősen korlátozzák a terjedő helikonhullámok létezési tartományát. $ql>>1$ $qV_{F}/\omega _{c}>1$ $V F}$ $qV_{F}/\omega _{c}<<1$

Kísérletek helikonokkal

Kutatási módszerek

A helikonok megfigyelésének és tanulmányozásának fő módszerei a következők:

A keresztezett tekercsek módszere (az egyik tekercs gerjeszti a helikont, a másik, rá merőleges, regisztrálja a mezőjét a mintában)
Interferometriai módszer (a teljes kimenő jel a helikon jelének valamilyen referenciajellel való interferenciájának eredménye)
Egytekercses interferometria ( nagyfrekvenciás jelek mérésére)
Felületi impedancia módszerek

Kutatási eredmények

A helikonok lokális rezsimben végzett kísérleti megfigyelései lehetővé teszik a Hall-állandó, a mágneses ellenállás és a hullámok felületi abszorpciójának mérését különböző minta geometriákon.

A ciklotron abszorpció és a Landau csillapítás körülményei között végzett nem lokális rezsimben végzett kísérletek lehetővé teszik a minták felületi impedanciájának , a Fermi felület alakjának meghatározását , valamint az ütközések csillapítási folyamatokban betöltött szerepének értékelését. Külön kutatási terület a helikonok kölcsönhatásának tanulmányozása más típusú gerjesztéssel az anyagban: hanggal ( helikon-fonon kölcsönhatás , amely lehetővé teszi az akusztikus hullámok elektromágneses gerjesztését ), az atommagok mágneses momentumaival ( az NMR abszorpciója). helicon), spinhullámokkal a ferromágnesekben ( helikon-magnon kölcsönhatás ).

A laboratóriumi kísérletekben a helikonokat általában szilárd anyagok plazmájában vagy gázplazmával ellátott kisülőcsövekben nyerik. 2015-ben amerikai kutatók arról számoltak be, hogy egy korlátlan plazmában, minden felülettől távol, helikonokat szereztek. Ez az eredmény lehetővé teszi az ilyen hullámok előfordulásának laboratóriumi tanulmányozását a világűrben fennálló körülményekhez közeli helyzetben. [négy]

Jegyzetek

↑ O.V. Konsztantyinov, V.I. Perel . Az elektromágneses hullámok erős mágneses térben történő fémen való áthaladásának lehetőségéről // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Proc. Int. Konf. on Semiconduction Phys., Prága, 1960. - 224. o .
↑ R. Bowers, C. Legendy és F. Rose. Oszcillációs galvanomágneses hatás fémes nátriumban // Fizik. Fordulat. Lett. - 1961. - T. 7 , 9. sz . - S. 339-341 .
↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Kt. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Irodalom

Kaner E. A. Helikon Archivált : 2012. március 22. a Wayback Machine -nél // Fizikai enciklopédiája. - T. 1. - M .: Szov. Encycl., 1988. - S. 428.
Maxfield B. Helicons in solids // Advances in Physical Sciences . - Orosz Tudományos Akadémia , 1971. - T. 103. szám. 2 . - S. 233-273 . (Orosz)
Skobov VG, Kaner EA Elektromágneses hullámok fémekben mágneses térben // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 1966. - T. 89 , no. 7 . (Orosz)
Skyrmion állapotok királis folyadékkristályokban J. de Matteis, L. Martina, V. Turco