ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС

ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС, избирательное поглощение электромагнитной энергии носителями заряда в проводниках, помещённых в магнитное поле при частотах, равных или кратных их циклотронной частоте. При Ц. р. наблюдается резкое возрастание электропроводности проводников. В постоянных электрич. Е и магнитном Н полях носители тока - заряженные частицы -движутся под действием Лоренца силы по спиралям, оси к-рых направлены вдоль магнитного поля (рис. 1,в). В пло-

квант магнитного потока (А - Планка постоянная), и - целое число. Частота квантовых переходов между соседними эквидистантными уровнями и есть циклотронная частота. Т. о., Ц. р. можно трактовать как возбуждение внеш. переменным полем переходов носителей тока между уровнями Ландау.

Рис. 1. Траектории электронов: а - в однородном постоянном магнитном поле Н, при действии переменного электрич. поля ELH; б - в металле в магнитном поле Н, направленном параллельно по" верхности металла; в - зеркально отражающихся от поверхности металла.

Ц. р. может наблюдаться, если носители тока совершают много оборотов, прежде чем испытают столкновение с др. частицами и рассеются. Это условие имеет

столкновениями (время релаксации), определяемое физич. свойствами проводника. Напр., в газовой плазме - это время между столкновениями свободных электронов с др. электронами, с ионами или нейтральными частицами. В твёрдом проводнике определяющую роль играют столкновения электронов проводника с дефектами кристаллич. решётки (т" " 10~⁹-10~¹¹сек) и рассеяние на её тепловых колебаниях (электрон- фо-нонное взаимодействие). Последний процесс ограничивает область наблюдения Ц. р. низкими темп-рами (~1-10 К). Практически достижимые макс, времена релаксации ограничивают

в к-рой возможно наблюдение Ц. р. в твёрдых проводниках.

Ц. р. можно наблюдать в различных проводниках: в газовой плазме (на электронах и ионах), в металлах (на электронах проводимости), в полупроводниках и диэлектриках (на неравновесных носителях, возбуждаемых светом, нагревом и т. д.), а также в двухмерных системах (см. ниже). Однако термин "Ц. р" утвердился гл. обр. в физике твёрдого тела, когда излучение среды, обусловленное квантовыми переходами между уровнями Ландау, отсутствует.

Ц. р. в полупроводниках предсказан Я. Г. Дорфманом (1951, СССР) и Р. Динглом (1951, Великобри-

тания), обнаружен Д. Дресселхаусом, А. Ф. Киппом, Ч. Киттелом (1953, США). Наблюдается на частотах ~ 10¹⁰-10¹¹гц в полях 1-10 кэ. Т. к. концентрация свободных носителей тока, возбуждаемых светом, нагревом и др., обычно не превосходит 10¹⁴ -10¹⁵см~³, то Ц. р.

а диаметры орбит электронов порядка микрометров, то носители тока движутся в практически однородном электромагнитном поле. Ц. р., наблюдаемый в однородном электромагнитном поле, называют также диамагнитным резонансом, имея в виду, что циклотронное движение носителей тока приводит к диамагнетизму электронного газа (см. Ландау диамагнетизм).

Если для наблюдения Ц. р. использовать волну, циркулярно поляризованную в плоскости, перпендикулярной Н, то поглощать электромагнитную энергию будут заряженные частицы, вращающиеся в том же направлении, что и вектор поляризации. На этом явлении основано определение знака заряда носителей тока в полупроводниках.

Ц. р. в металлах. Металлы, у к-рых концентрация носителей тока N = 10²²см^-3, обладают высокой электропроводностью. В них Ц. р. наблюдался на частотах О"соп. При этом электромагнитные волны почти полностью отражаются от поверхности образца, проникая в металл на небольшую глубину скин-слоя б"10~⁵ см (см. Скин-эффект). В результате этого электроны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагнитном поле (как правило, диаметр их орбиты D " б). Если постоянное магнитное поле Н параллельно поверхности образца, то среди электронов есть такие, к-рые, хотя и движутся большую часть времени в глубине металла, где электрич. поля нет, однако на короткое время возвращаются в скин-слой, где взаимодействуют с электромагнитной волной (рис. 1,6). Механизм передачи энергии от волны к носителям тока в этом случае аналогичен работе циклотрона; резонанс возникает, если электрон будет попадать в скин-слой каждый раз при одной и той же фазе электрич. поля, что возможно при nQ = to. Это условие отвечает резонансам, периодически повторяющимся при изменении величины 1/Н (рис. 2).

Рис. 2. Циклотронный резонанс в монокристаллической металлической пластине; л-реактивная составляющая поверхностного импеданса металла.

Если Н направлено под углом к поверхности металла, то из-за невозможности многократного возвращения электрона в скин-слой и доплеровского сдвига частоты (см. Доплера эффект), связанного с дрейфом электронов вдоль поля, резонансные линии уширяются, а их амплитуда падает, так что уже при малых углах наклона (10"--100") Ц. р., отвечающий условию nQ = w, в общем случае перестаёт наблюдаться.

В металлах в тех же условиях, что и Ц. р., может наблюдаться близкое к нему по природе явление - резонансное изменение поверхностной проводимости из-за квантовых переходов между магнитными поверхностными уровнями (обнаружено М. С. Хайкиным, 1960, СССР, теория разработана Ц. В. Ни и Р. С. Пранги, 1967, США). Эти уровни возникают, если электроны при движении в магнитном поле могут зеркально отражаться от поверхности образца, совершая тем самым периодич. движение по орбитам (рис. 1,в). Периодич. движение квантовано, и разрешёнными оказываются такие орбиты, для к-рых поток Ф магнитного поля через сегмент, образуемый дугой траектории и поверхностью образца (заштрихован на рис. 1, в), равен: Ф = (n+1/4)Ф₀

Ц. р. в двухмерных систе-м а х. Если к полупроводнику приложить постоянное электрич. поле, перпендикулярное поверхности, то в поверхностном слое (толщиной ~ 10-100 А) возникает избыточная концентрация носителей тока, к-рые могут свободно двигаться только вдоль поверхности. Аналогично может образоваться проводящий слой электронов над поверхностью диэлектрика (в вакууме) при облучении его потоком электронов. В магнитном поле в таких двухмерных системах наблюдается резонансное поглощение энергии электромагнитной волны с частотой w = eH/mc. Наблюдается также Ц. р. электронов, локализованных над поверхностью жидкого гелия на частоте ~ 10¹⁰ гц (Т. Р. Браун, С. С. Граймс, 1972, США) и у поверхности полупроводников на частоте ~ 10¹² гц.

Ц. р. обычно изучается методами ра-диоспектроскопии и инфракрасной оптики.

Ц. р. широко применяется в физике твёрдого тела при изучении энергетического спектра электронов проводимости, в первую очередь для точного измерения их эффективной массы т*. Путём исследования Ц. р. было установлено, что эффективная масса анизотропна и её характерные значения составляют ~ (10~³-10~~^l)m₀ (m₀ -масса свободного электрона) в полупроводниках и полуметаллах; (10^-1-10) т₀ в хороших металлах и более 10 т₀ в диэлектриках. При помощи Ц. р. возможно определение знака заряда носителей, изучение процессов их рассеяния и электрон-фононного взаимодействия в металлах. Изменяя ориентацию постоянного магнитного поля относительно кристаллографич. осей, можно определить компоненты тензора эффективных масс. Возможно применение Ц. р. в технике СВЧ для генерации и усиления электромагнитных колебаний (мазер на Ц. р.).

Лит.: Займан Дж. М., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; X а и к и н М. С., Магнитные поверхностные уровни, "Успехи физических наук", 1968, т. 96, в. 3.

В. С. Эдельман.