Физический энциклопедический словарь - циклотронный резонанс

Траектории электронов:а, б — в однородном постоянном магн. поле H при действии переменного электрич. поля ЕH; магн. поле H направлено параллельно поверхности металла; в — зеркально отражающихся от поверхности металла.

к-рых направлены вдоль Н (рис. а). В плоскости, перпендикулярной Н, движение является периодическим (рис. б) с циклотронной частотой:

c= eH/mc. (1)

Здесь е и m — заряд и масса ч-цы. С той же частотой c, поворачивается вектор скорости частицы v. Если при этом ч-ца находится в однородном периодич. электрич. поле E(t) с частотой со, то энергия, поглощаемая ею, равная eEv, также оказывается периодич. функцией времени t с угловой частотой (c-). Ср. энергия, поглощаемая за большое время, резко возрастает при = c.

Ц. р. может наблюдаться, если носители заряда совершают много оборотов, прежде чем испытают столкновение с др. ч-цами и рассеются. Это условие имеет вид: с>1, где  — ср. время между столкновениями (время релаксации), определяемое св-вами проводника. В твёрдом теле определяющую роль играют столкновения электронов проводимости с дефектами крист. решётки (~=10^-9—10^-11 с) и рассеяние на её тепловых колебаниях (электрон-фононное взаимодействие). Последний процесс ограничивает область наблюдения Ц. р. низкими темп-рами (1—10 К), когда столкновения с тепловыми фононами становятся достаточно редкими. Практически достижимые макс. времена релаксации ограничивают снизу область частот (>10⁹ Гц), используемых при исследовании твёрдых тел методом Ц. р.

Ц. р. в полупроводниках наблюдается на частотах 10¹⁰ —10¹² Гц в полях 1—100 кЭ. Т. к. концентрация собств. носителей заряда или носителей, возбуждаемых светом, нагревом и др., обычно не превосходит 10¹⁴ —10¹⁵ см^-3, то электромагн. волны проникают в образец на большую глубину, значительно превосходящую диаметры орбит электронов, измеряемых в мкм. Т. о. носители движутся в практически однородном электрич. поле, и Ц. р. наблюдается (как правило) только при =c.

В металлах электромагн. волны почти полностью отражаются от поверхности образца, проникая в металл на небольшую глубину скин-слоя ~10^-5 см (см. Скин-эффект). В результате эл-ны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагн. поле, поскольку, как правило, диаметр их орбиты D >> (рис., а, б). Если магн. поле параллельно поверхности образца, то среди эл-нов есть такие, к-рые, хотя и движутся большую часть времени в глубине металла, где

электрич. поля нет, однако на короткое время заходят в скин-слой, где взаимодействуют с волной. Механизм передачи энергии от волны носителям 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 =nс (n — целое число). Это условие отвечает резонансам, периодически повторяющимся при изменении 1/H.

В металлах в тех же условиях, что и Ц. р., может наблюдаться близкое к нему по природе явление ─ осцилляции поверхностной проводимости из-за квантовых переходов между магнитными поверхностными уровнями. Они возникают, если электроны могут зеркально отражаться от поверхности образца, совершая тем самым периодич. движение, к-рое квантовано, и разрешёнными оказываются такие орбиты, для к-рых поток Ф магн. поля через сегмент, образуемый дугой траектории и поверхностью образца (заштрихован, рис., в), равен Ф=(n+¹/4)ch/e.

Ц. р. широко применяется в физике твёрдого тела при изучении энергетич. спектра электронов, в первую очередь для точного измерения их эффективной массы. При помощи Ц. р. возможно определение знака заряда носителей, изучение процессов их рассеяния и электрон-фононного взаимодействия в металлах.

• Абрикосов А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; А ш к р о ф т Н., М е р м и н Н., Физика твердого тела, пер. с англ., М., 1979.

B.C. Эдельман.