Helicon (fysik)

Helikon ( oldgræsk ἕλιξ , slægt. ἕλικος - ring, spiral) er en lavfrekvent elektromagnetisk bølge , der forekommer i et ukompenseret plasma placeret i et eksternt konstant magnetfelt .

Fra opdagelseshistorien

Eksistensen af ​​elektromagnetiske excitationer af helikontypen i plasma af faste stoffer blev forudsagt i 1960 : i metaller  - af O. V. Konstantinov og V. I. Perel [1] , i halvledere  - af P. Egren [2] . Udtrykket "helikon" blev introduceret af Egren og afspejlede den cirkulære natur af polariseringen af ​​denne bølge. Et år senere blev helikoner eksperimentelt påvist i natrium [3] . Samme år blev det fastslået, at de såkaldte "whistling atmospherics" (whistlers) er helikonbølger, der forplanter sig i det gasformige plasma i Jordens ionosfære .

Helikoners eksistensmåder

Muligheden for udbredelse af elektromagnetiske bølger i velledende medier i nærvær af et stærkt magnetfelt kan forklares som følger. I mangel af et magnetfelt finder hudeffekten sted i mediet : under påvirkning af stråling med en frekvens, der er lavere end plasmafrekvensen , opstår der strømme , der skærmer den elektromagnetiske forstyrrelse og forhindrer den i at trænge dybt ind i stoffet. Magnetfeltet svækker denne afskærmning, hvilket får ladningsbærerne til at bevæge sig på en mere velordnet måde under indflydelse af Lorentz-kraften og forhindrer dem i at reagere effektivt på det elektromagnetiske bølgefelt. Dette gør det muligt for lavfrekvente helikoner at udbrede sig i mediet.

Afhængigt af forholdet mellem den gennemsnitlige frie vej for ladningsbærere og bølgelængden af ​​elektromagnetisk excitation skelnes der mellem "lokale" og "ikke-lokale" helikonudbredelsesformer. For at overveje hvert af disse tilfælde er det nødvendigt at anvende forskellige teoretiske og eksperimentelle tilgange.

Lokal tilstand

Lokalitetstilstanden kan skrives som , hvor  er helikonets bølgenummer,  er den gennemsnitlige frie vej for ladningsbærere ( elektroner ). Hovedtrækkene ved helikonbølger kan opnås i fri elektronmodellen . I betragtning af forekomsten af ​​en elektromagnetisk frekvensbølge på et ledende medium under forhold med øjeblikkelig ligevægt, kan man opnå spredningsforholdet for helikonet:

,

hvor  er den magnetiske permeabilitet af vakuumet ,  er modstanden ,  er tangenten af ​​Hall-vinklen mellem strømmen og den elektriske feltstyrke ,  er et konstant magnetfelt ,  er vinklen mellem og . Her  er elektronens masse ,  er dens ladning ,  er tætheden af ​​elektroner,  er den karakteristiske tid, hvori bærerne mister momentum i kollisioner med gitteret;  er Hall-konstanten ,  er cyklotronfrekvensen for bærere. Betingelsen for at udbrede bølger er uligheden . I et semi-uendeligt metal er et helikon, der udbreder sig langs et konstant magnetfelt, en tværgående cirkulært polariseret bølge, hvis elektriske og magnetiske felter roterer rundt om udbredelsesretningen i samme retning som elektronerne.

I det generelle tilfælde er det nødvendigt at tage højde for mediumparametrenes tensornatur , især modstanden , såvel som grænsebetingelserne i situationen med rumligt begrænsede strukturer.

Ikke-lokal tilstand

Betingelsen for ikke-lokalitet er relationen , det vil sige, at mange helikonbølgelængder passer inden for den gennemsnitlige frie vej . Derfor kan ladningsbærernes mikroskopiske (cyklotron) bevægelse i dette tilfælde ikke negligeres. Fra et matematisk synspunkt fører dette til behovet for at beregne den ikke- lokale ledningsevnetensor . Det fysiske billede i det ikke-lokale tilfælde bestemmes af virkningerne af kollisionsfri bølgeabsorption af bærere, hvis ekstreme tilfælde er Doppler-forskudt cyklotronresonans (absorptionstilstand , hvor  er hastigheden af ​​frie elektroner lig med Fermi-hastigheden ) og Landau magnetisk dæmpning ( ). Disse processer begrænser markant rækkevidden af ​​eksistensen af ​​udbredende helikonbølger.

Eksperimenter med helikoner

Forskningsmetoder

De vigtigste metoder til at observere og studere helikoner omfatter:

Forskningsresultater

Eksperimentelle observationer af helikoner i det lokale regime gør det muligt at måle Hall-konstanten, magnetoresistens og overfladeabsorption af bølger for forskellige prøvegeometrier.

Eksperimenter i det ikke-lokale regime under forhold med cyklotronabsorption og Landau-dæmpning gør det muligt at bestemme overfladeimpedansen af ​​prøver, formen af ​​Fermi-overfladen og at evaluere kollisioners rolle i dæmpningsprocesser. Et separat forskningsområde er studiet af helikoners interaktion med andre typer excitation i stoffet: med lyd ( helikon-fonon-interaktion , som tillader elektromagnetisk excitation af akustiske bølger ), med magnetiske momenter af kerner ( NMR - absorption af helikon), med spinbølger i ferromagneter ( helikon-magnon-interaktion ).

Normalt opnås helikoner i laboratorieforsøg i plasma af faste stoffer eller udledningsrør med gasplasma. I 2015 rapporterede amerikanske forskere, at de opnåede helikoner i et ubegrænset plasma, væk fra enhver overflade. Denne præstation gør det muligt i laboratoriet at studere forekomsten af ​​sådanne bølger i en situation tæt på forholdene i det ydre rum. [fire]

Noter

  1. ↑ O.V. Konstantinov, V.I. Perel . Om muligheden for, at elektromagnetiske bølger passerer gennem et metal i et stærkt magnetfelt // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
  2. ↑ P. Aigrain. Les "Helicons" i les semiconducteurs // Proc. Int. Konf. om Semiconduction Phys., Prag, 1960. - S. 224 .
  3. ↑ R. Bowers, C. Legendy og F. Rose. Oscillerende galvanomagnetisk effekt i metallisk natrium // Fysisk. Rev. Lett. - 1961. - T. 7 , nr. 9 . - S. 339-341 .
  4. ↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Bd. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Litteratur