Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 24 )

Исследования методом АПР электрон-фононного взаимодействия привели к обнаружению фазерных явлений усиления и генерации когерентных гиперзвуковых волн при стимулированном излучении парамагнитных центров в кристаллах. Эти явления подобны лазерным (отсюда и термин «фазер») [10].

5.4 Практическая реализация резонансных явлений в микродиагностике твердых тел и плазмы

5.4.1 Метод ЦР - спектроскопии для определения энергетического спектра и кинетики электронов на ферми-поверхности

ЦР обычно обнаруживается в зависимости поверхностного импеданса от поля при фиксированной частоте . Для металла с квадратичным законом дисперсии

,

где – медленно изменяющаяся с функция.

Из видно, что в условиях и резко уменьшаются вещественная и мнимая части импеданса, что продемонстрировано на рис. 5.3.

Резонансные минимумы импеданса периодичны в функции обратного поля, а их ширина определяется частотой электронной релаксации . В щелочных (изотропных) металлах отсутствует анизотропия как по поляризации волны, так и относительно ориентации вектора к осям кристалла (в плоскости образца). Форма линий ЦР асимметрична.

При неквадратичном законе дисперсии электронов, характерном для большинства металлов, циклотронная частота зависит от , т. е. неодинакова у разных электронов. В этом случае резонанс происходит на экстремальных частотах , поскольку для электронов с такими значениями имеется особенность в плотности состояний с данным значением циклотронной частоты. Благодаря уменьшению числа резонансных частиц амплитуда ЦР уменьшается, линии уширяются и становятся более асимметричными по сравнению со случаем . При этом ЦР на электронах центрального сечения и из окрестности опорной точки на поверхности Ферми оказывается чувствительным к направлению поляризации ВЧ-тока. Все эти выводы полностью подтвердились в экспериментах и теории, что позволяет путем анализа зависимостей, которые представлены на рис. 5.3, определять энергетический спектр и кинетику электронов в металлах.

Рис. . Графики для производной вещественной части поверхностного импеданса по полю , от магнитного поля ( – поле основного резонанса в , на частоте 24 ГГц, , ) [10]

5.4.2 Метод отсекания циклотронных резонансов в пластине для определения диаметров электронных орбит и их анизотропии

В тонкой плоскопараллельной металлической пластинке, толщина которой значительно меньше длины свободного пробега электронов относительно их рассеяния в объеме, ЦР обладает рядом особенностей (рис. 5.4). Если при столкновении с гранями пластины электроны отражаются диффузно, то в ЦР могут участвовать только те из них, у которых диаметр орбиты меньше толщины . Диаметр зависит от магнитного поля и размера электронной траектории в - пространстве:

.

При изменении величины обязательно возникает ситуация, при которой максимальный диаметр (в общем случае – ) станет равным :

,

т. е. часть электронных траекторий начнет (или перестанет) целиком помещаться внутри пластины. При этом значении (поле отсечки) должна возникнуть особенность зависимости импеданса от , поскольку отсекаемые электронные орбиты не дают вклада в резонанс (они «выходят из игры»). В изотропном металле

.

Рис. . Проекции электронных траекторий на плоскость, перпендикулярную вектору , внутри плоскопараллельной металлической пластины толщины (, нормаль к граням – )

Здесь определяется формулой, знаки и обозначают поляризацию ВЧ-тока поперек и вдоль постоянного поля .

Из следует, что величина при испытывает излом, а непрерывна с первыми двумя производными по . С помощью наблюдения этого размерного эффекта можно экспериментально определить экстремальные диаметры электронных орбит и их анизотропию.

В полях, меньших, часть орбит отсекается гранями пластины из-за диффузного рассеяния электронов. Поэтому при неквадратичном законе дисперсии, когда ЦР обусловлен небольшой группой электронных состояний с экстремальными частотами , в поле будут отсекаться гармоники резонанса от электронов, чьи орбиты не помещаются внутри образца.

5.4.3 Взаимное преобразование электромагнитных и звуковых волн в нормальном металле

Поскольку электронная система в проводниках незамкнута относительно решетки и электромагнитных полей, то возможен резонансный режим связывания коллективных электромагнитных мод электронно-дырочной плазмы проводника (или полупроводника) с акустическими колебаниями решетки. Незамкнутость системы носителей заряда приводит к электромагнитной генерации акустической волны. В этом режиме в металле распространяется акустическая волна, возбужденная внешним электромагнитным полем. Возможен и обратный процесс – когда акустическое возбуждение электромагнитной волны позволяет создать в объеме металла электромагнитные поля значительной интенсивности, существование которых на значительных расстояниях от поверхности металла обусловлено преобразованием (трансформацией) акустической волны в электромагнитную.

Экспериментальные и теоретические исследования взаимного преобразования волн в нелокальном пределе (сильной пространственной дисперсии), когда и , где – волновой вектор электромагнитной или акустической волны; – глубина скин-слоя; – длина свободного пробега носителей заряда, представляют особый интерес, поскольку в этих условиях одновременно могут проявиться различные электромагнитные и магнитоакустические эффекты. Изучение различных эффектов в режиме преобразования дает обширную информацию как об энергетических характеристиках квазичастиц, так и о спектре и диссипативных свойствах коллективных электромагнитных мод плазмы в металле.