ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС

Избирательное поглощение или отражение электромагн. волн проводниками, помещёнными в постоянное магн. поле, на частотах, равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда. В пост. магн. поле Н заряженные ч-цы движутся по спиралям, оси

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:

wc= eH/mc. (1)

Здесь е и m — заряд и масса ч-цы. С той же частотой wc, 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 (wc-w). Ср. энергия, поглощаемая за большое время, резко возрастает при w= wc.

Ц. р. может наблюдаться, если носители заряда совершают много оборотов, прежде чем испытают столкновение с др. ч-цами и рассеются. Это условие имеет вид: wсt>1, где t — ср. время между столкновениями (время релаксации), определяемое св-вами проводника. В твёрдом теле определяющую роль играют столкновения электронов проводимости с дефектами крист. решётки (t==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 (w>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 w=wc.

В металлах электромагн. волны почти полностью отражаются от поверхности образца, проникая в металл на небольшую глубину скин-слоя d=10-5 см (см. СКИН-ЭФФЕКТ). В результате эл-ны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагн. поле, поскольку, как правило, диаметр их орбиты D ->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 w=nwс (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.