Helicon (fyzika)

Helikon ( starořecky ἕλιξ , rod. ἕλικος - prstenec, spirála) je nízkofrekvenční elektromagnetické vlnění , které se vyskytuje v nekompenzovaném plazmatu umístěném ve vnějším konstantním magnetickém poli .

Z historie objevů

Existenci elektromagnetických excitací helikonového typu v plazmatu pevných látek předpověděli v roce 1960 : v kovech  - O. V. Konstantinov a V. I. Perel [1] , v polovodičích  - P. Egren [2] . Termín „helikon“ zavedl Egren a odrážel kruhový charakter polarizace této vlny. O rok později byly helikony experimentálně detekovány v sodíku [3] . V témže roce bylo zjištěno, že tzv. "hvízdající atmosfery" (hvízdáky) jsou helikonové vlny šířící se v plynném plazmatu zemské ionosféry .

Způsoby existence helikonů

Možnost šíření elektromagnetických vln v dobře vodivých prostředích za přítomnosti silného magnetického pole lze vysvětlit následovně. V nepřítomnosti magnetického pole probíhá v médiu kožní efekt : působením záření s frekvencí nižší než plazmová vznikají proudy , které stíní elektromagnetické rušení a brání mu proniknout hluboko do látky. Magnetické pole zeslabuje toto stínění, což způsobuje, že se nosiče náboje pohybují uspořádanějším způsobem pod vlivem Lorentzovy síly a brání jim v účinné reakci na pole elektromagnetických vln. To umožňuje, aby se nízkofrekvenční helikony šířily v médiu.

Podle poměru střední volné dráhy nosičů náboje a vlnové délky elektromagnetického buzení se rozlišují „lokální“ a „nelokální“ režimy šíření helikonem. Ke zvážení každého z těchto případů je nutné použít různé teoretické a experimentální přístupy.

Místní režim

Podmínku lokality lze zapsat jako , kde  je vlnové číslo helikonu,  je střední volná dráha nosičů náboje ( elektronů ). Hlavní rysy helikonových vln lze získat v modelu volných elektronů . Uvážíme-li dopad elektromagnetické frekvenční vlny na vodivé prostředí za podmínek okamžité rovnováhy, lze získat rozptylový vztah pro helikon:

,

kde  je magnetická permeabilita vakua ,  je odpor ,  je tangens Hallova úhlu mezi proudem a silou elektrického pole ,  je konstantní magnetické pole ,  je úhel mezi a . Zde  je hmotnost elektronu,  je jeho náboj ,  je hustota elektronů,  je charakteristická doba, během níž nosiče ztrácejí hybnost při srážkách s mřížkou;  je Hallova konstanta ,  je cyklotronová frekvence nosičů. Podmínkou šíření vlnění je nerovnost . V polonekonečném kovu je helikon šířící se podél konstantního magnetického pole příčná kruhově polarizovaná vlna, jejíž elektrická a magnetická pole rotují kolem směru šíření ve stejném směru jako elektrony.

V obecném případě je nutné vzít v úvahu tenzorový charakter parametrů média, zejména odolnosti , a také okrajové podmínky v situaci prostorově omezených konstrukcí.

Nelokální režim

Podmínkou nelokality je vztah , to znamená, že mnoho vlnových délek helikonu se vejde do střední volné dráhy . Nelze tedy v tomto případě zanedbat mikroskopický (cyklotronový) pohyb nosičů náboje. Z matematického hlediska to vede k nutnosti vypočítat nelokální tenzor vodivosti . Fyzikální obraz v nelokálním případě je určen účinky bezkolizní absorpce vln nosiči, jejichž extrémními případy jsou Dopplerově posunutá cyklotronová rezonance (absorpční podmínka , kde  je rychlost volných elektronů rovna Fermiho rychlosti ) a Landauova magnetická tlumení ( ). Tyto procesy výrazně omezují rozsah existence šířících se helikonových vln.

Experimenty s helikony

Metody výzkumu

Mezi hlavní metody pro pozorování a studium helikonů patří:

Výsledky výzkumu

Experimentální pozorování helikonů v lokálním režimu umožňuje měřit Hallovu konstantu, magnetorezistenci a povrchovou absorpci vln pro různé geometrie vzorků.

Experimenty v nelokálním režimu za podmínek absorpce cyklotronu a Landauova tlumení umožňují určit povrchovou impedanci vzorků, tvar Fermiho povrchu a vyhodnotit roli kolizí v procesech tlumení. Samostatnou oblastí výzkumu je studium interakce helikonů s jinými typy buzení ve hmotě: se zvukem ( interakce helikon -fonon , která umožňuje elektromagnetické buzení akustických vln ), s magnetickými momenty jader ( NMR absorpce helikon), se spinovými vlnami ve feromagnetech ( interakce helikon-magnon ).

Obvykle se helikony v laboratorních experimentech získávají v plazmatu pevných látek nebo výbojkách s plynným plazmatem. V roce 2015 američtí vědci oznámili získání helikonů v neomezené plazmě, daleko od jakýchkoli povrchů. Tento úspěch umožňuje v laboratoři studovat výskyt takových vln v situaci blízké podmínkám existujícím ve vesmíru. [čtyři]

Poznámky

  1. ↑ O.V. Konstantinov, V.I. Perel . O možnosti průchodu elektromagnetických vln kovem v silném magnetickém poli // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - S. 161 .
  2. ↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Proc. Int. Conf. o polovodičové fyzice, Praha, 1960. - S. 224 .
  3. ↑ R. Bowers, C. Legendy a F. Rose. Oscilační galvanomagnetický efekt v kovovém sodíku // Phys. Rev. Lett. - 1961. - T. 7 , č. 9 . - S. 339-341 .
  4. ↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Sv. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Literatura