Helicon (fysiikka)

Helikon ( muinaiskreikaksi ἕλιξ , suku. ἕλικος - rengas, spiraali) on matalataajuinen sähkömagneettinen aalto , joka esiintyy kompensoimattomassa plasmassa , joka sijaitsee ulkoisessa vakiomagneettikentässä .

Löytöhistoriasta

Helikontyyppisten sähkömagneettisten viritteiden olemassaolo kiinteiden aineiden plasmassa ennusti vuonna 1960 : metalleissa - O. V. Konstantinov ja V. I. Perel [1] , puolijohteissa - P. Egren [2] . Egren otti käyttöön termin "helicon", ja se heijasti tämän aallon polarisaation ympyrämäistä luonnetta. Vuotta myöhemmin helikonit havaittiin kokeellisesti natriumista [3] . Samana vuonna todettiin, että niin kutsutut "vihellyttävät ilmakehät" (whistlers) ovat helikonaaltoja, jotka etenevät maapallon ionosfäärin kaasumaisessa plasmassa.

Helikonien olemassaolotavat

Mahdollisuus sähkömagneettisten aaltojen etenemiseen hyvin johtavissa väliaineissa voimakkaan magneettikentän läsnä ollessa voidaan selittää seuraavasti. Magneettikentän puuttuessa ihovaikutus tapahtuu väliaineessa: plasman taajuutta alhaisemman säteilyn vaikutuksesta syntyy virtoja , jotka suojaavat sähkömagneettista häiriötä ja estävät sitä tunkeutumasta syvälle aineeseen. Magneettikenttä heikentää tätä suojausta, jolloin varauksenkantajat liikkuvat säännöllisemmin Lorentzin voiman vaikutuksesta ja estävät niitä reagoimasta tehokkaasti sähkömagneettiseen aaltokenttään. Tämä mahdollistaa matalataajuisten helikonien leviämisen väliaineessa.

Varauksenkuljettajien keskimääräisen vapaan reitin ja sähkömagneettisen virityksen aallonpituuden suhteesta riippuen helikonin etenemismuodot erotetaan "paikallisesta" ja "ei-paikallisesta". Kunkin näistä tapauksista harkitsemiseksi on tarpeen soveltaa erilaisia teoreettisia ja kokeellisia lähestymistapoja.

Paikallinen tila

Paikkaehto voidaan kirjoittaa muodossa , missä on helikonin aaltonumero, on varauksenkantajien ( elektronien ) keskimääräinen vapaa polku . Helikonaaltojen pääpiirteet voidaan saada vapaiden elektronien mallissa . Ottaen huomioon sähkömagneettisen taajuusaallon esiintymisen johtavalla väliaineella hetkellisen tasapainon olosuhteissa, voidaan saada helikonin dispersiosuhde: $ql<<1$ $q$ $l$ $\omega$

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

missä on tyhjiön magneettinen permeabiliteetti , on vastus , on virran ja sähkökentän voimakkuuden välisen Hall - kulman tangentti , on vakio magneettikenttä , on välillä ja välillä oleva kulma . Tässä on elektronin massa , on sen varaus , on elektronien tiheys, on ominaisaika, jonka aikana kantajat menettävät vauhtia törmäyksissä hilan kanssa; on Hall-vakio , on kantajien syklotronitaajuus . Edellytys aaltojen etenemiselle on epäyhtälö . Puoliäärettömässä metallissa vakiomagneettikenttää pitkin etenevä helikoni on poikittainen ympyräpolarisoitunut aalto, jonka sähkö- ja magneettikentät pyörivät etenemissuunnan ympäri samaan suuntaan kuin elektronit. $\mu_{0}$ $\rho =m/ne^{2}\tau$ $u=RB_{0}/\rho =\omega _{c}\tau$ $B_{0}$ $\phi$ $q$ $B_{0}$ $m$ $e$ $n$ $\tau$ $R=1/ne$ $\omega _{c}=eB_{0}/m$ $|{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|$

Yleisessä tapauksessa on tarpeen ottaa huomioon väliaineparametrien tensoriluonne , erityisesti vastus , sekä rajaolosuhteet tilallisesti rajoitettujen rakenteiden tilanteessa. $\rho$

Ei-paikallinen tila

Edellytyksenä epäpaikallisuudelle on relaatio , eli monet helikonin aallonpituudet mahtuvat keskimääräiseen vapaaseen polkuun . Siksi tässä tapauksessa varauksenkuljettajien mikroskooppista (syklotroni) liikettä ei voida jättää huomiotta. Matemaattisesta näkökulmasta tämä johtaa tarpeeseen laskea ei- paikallinen johtavuustensori . Fysikaalisen kuvan epäpaikallisessa tapauksessa määrittävät kantajien törmäysttömän aallon absorption vaikutukset, joiden ääritapaukset ovat Doppler-siirretty syklotroniresonanssi (absorptioehto , jossa vapaiden elektronien nopeus on yhtä suuri kuin Fermin nopeus ) ja Landau-magneettinen vaimennus ( ). Nämä prosessit rajoittavat merkittävästi etenevien helikonaaltojen olemassaoloa. $ql>>1$ $qV_{F}/\omega _{c}>1$ $V_{F}$ $qV_{F}/\omega _{c}<<1$

Kokeet helikonien kanssa

Tutkimusmenetelmät

Tärkeimmät menetelmät helikonien tarkkailuun ja tutkimiseen ovat:

Ristikkäisten kelojen menetelmä (yksi kela virittää helikonin ja toinen, siihen nähden kohtisuorassa, rekisteröi kenttään näytteeseen)
Interferometriamenetelmä (kokonaislähtösignaali on seurausta helikonin signaalin ja jonkin vertailusignaalin häiriöistä )
Yhden kelan interferometria (korkeataajuisten signaalien mittaamiseen)
Pintaimpedanssimenetelmät _

Tutkimustulokset

Helikonien kokeelliset havainnot paikallisessa järjestelmässä mahdollistavat Hall-vakion, magnetoresistenssin ja aaltojen pintaabsorption mittaamisen eri näytegeometrioilla.

Kokeet ei-paikallisessa järjestelmässä syklotroniabsorption ja Landau-vaimennuksen olosuhteissa mahdollistavat näytteiden pintaimpedanssin, Fermin pinnan muodon määrittämisen sekä törmäysten roolin arvioinnin vaimennusprosesseissa. Erillinen tutkimusalue on helikonien vuorovaikutuksen tutkimus muun tyyppisten viritteiden kanssa: äänen kanssa ( helikonin ja fononi vuorovaikutus , joka mahdollistaa akustisten aaltojen sähkömagneettisen virityksen ), ytimien magneettisten momenttien kanssa ( NMR -absorptio helicon), jossa spin-aallot ferromagneeteissa ( helicon -magnon-vuorovaikutus ).

Yleensä helikonit laboratoriokokeissa saadaan kiinteiden aineiden plasmasta tai kaasuplasmaa sisältävistä purkausputkista. Vuonna 2015 amerikkalaiset tutkijat raportoivat saaneensa helikoneja rajoittamattomassa plasmassa, kaukana kaikista pinnoista. Tämä saavutus mahdollistaa tällaisten aaltojen esiintymisen laboratoriossa tutkimisen tilanteessa, joka on lähellä ulkoavaruuden olosuhteita. [neljä]

Muistiinpanot

↑ O.V. Konstantinov, V.I. Perel . Sähkömagneettisten aaltojen mahdollisuudesta kulkea metallin läpi vahvassa magneettikentässä // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Proc. Int. Conf. on Semiconduction Phys., Praha, 1960. - s. 224 .
↑ R. Bowers, C. Legendy ja F. Rose. Värähtelevä galvanomagneettinen vaikutus metallinatriumissa // Phys. Rev. Lett. - 1961. - T. 7 , nro 9 . - S. 339-341 .
↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Vol. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Kirjallisuus

Kaner E. A. Helikon Arkistoitu 22. maaliskuuta 2012 Wayback Machinessa // Encyclopedia of Physics. - T. 1. - M .: Sov. Encycl., 1988. - S. 428.
Maxfield B. Heliconit kiintoaineissa // Advances in Physical Sciences . - Venäjän tiedeakatemia , 1971. - T. 103 , numero. 2 . - S. 233-273 . (Venäjän kieli)
Skobov VG, Kaner EA Sähkömagneettiset aallot metalleissa magneettikentässä // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Venäjän tiedeakatemia , 1966. - T. 89 , no. 7 . (Venäjän kieli)
Skyrmion-tilat kiraalisissa nestekiteissä J. de Matteis, L. Martina, V. Turco