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" " 10⁹-10¹¹сек)
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 -10¹⁵см³,
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"10⁵ 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)Ф

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 (10³-10^l)m-масса свободного электрона) в полупроводниках и полуметаллах; (10^-1-10)
т
в хороших металлах и более 10 тв 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.