- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ЗВЕДЕНИЕ................................................... 4
[’лава I. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРШШНОМ
ТОКЕ В МЕТАЛЛАХ ............................... 7
§ I. Нелинейность на постоянном токе................ 7
§ 2. Металлы в радиочастотном поле большой
амплитуда’......................................... 13
§ 3. Нелинейные эффекты в СВЧ диапазоне ............... 13
Глава П. АВТОКОЛЕБАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО МОМЕНТА В МЕТАЛЛАХ И СИММЕТРИЯ ТОКОВЫХ
СОСТОЯНИЙ В ВИСМУТЕ............................... 23
§ I. Токовые состояния. Качественное обсуждение
и теория........................................... 33
§ 2. Симметрия токовых состояний ...................... 39
§ 3. Устойчивость макроскопического магнитного
момента и автоколебания ........................... 32
§ 4. Методика наблюдения автоколебаний ................ 59
§ 5. Экспериментальное наблюдение автоколебаний
в висмуте.......................................... 61
§ 6. Поверхностный импеданс висмута на низких
частотах........................................... 65
Глава Ш. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПЛАСТИНКАХ........................................... 72
§ I. Общие соображения о существовании электро-
7?
динамических доменов в металлических пластинах
- 3 -
стр.
§ 2. Экспериментальное подтверждение
существования электродинамических доменов . . 77
Глава 1У. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН ПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ
НОРМАЛЬНОГО МЕТАЛЛА............................... 90
§ I. Методика измерения .............................. 90
§ 2. Экспериментальные результаты..................... 94
§ 3. Возможные механизмы возникновения
нелинейности ...................................... 101
Глава У. НЕДИФФУЗИОННОЕ ПРОНИКНОВЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ВИСМУТ....................... 108
§ I. Постановка задачи .................................. 108
§ 2. Методика измерений и экспериментальные
результаты......................................... 109
§ 3. Обсуждение экспериментальных результатов . . II?
Глава У1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛА МЕТАЛЛА В
КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТА ПАМЯТИ............................. 128
§ I. Принцип работы элемента памяти на монокристалле металла....................................... 128
§ 2. Результаты экспериментов ........................... 132
ЗАКЛШЕНИЕ...................................................... 140
ЖСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 143
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в различных областях физики твердого тела все большее внимание уделяется исследованию нелинейных процессов и поиску новых нелинейных эффектов. Сдвиг интересов в область исследования нелинейных свойств произошел и в низкотемпературной физике нормальных металлов. Действительно, к настоящему времени накоплен большой фактический материал о разнообразных линейных свойствах металлов. Изучение линейных свойств позволило определить различные характеристики металлов: форму и размер ферми-поверхности, времена релаксации, массы электронов. Появились металлические монокристаллы с длиной свободного пробега электронов при гелиевых температурах порядка миллиметра. При этом, было обнаружено, что с понижением температуры и улучшени-зм качества металлических монокристаллов нелинейные эффекты становятся ярко выраженными, даже при сравнительно низких напря-кенностях электрического и магнитного поля в толще металла. 1аконец, надежда на создание новых элементов криогенной электро-шки на основе металлических монокристаллов связана с использованием именно нелинейных свойств.
Данная диссертационная работа посвящена дальнейшему изуче-шю уже известных и поиску новых низкотемпературных электроди-шмических нелинейных эффектов, которые можно наблюдать, если эеталлический образец (висмута, олова) облучается переменным >лектромагнитным полем большой амплитуды. В экспериментах иссле-юван частотный диапазон от 170 Гц до нескольких мегагерц.
Диссертация состоит из шести глав, в которых обсуждаются влинейные свойства нормальных металлов.
- 5 -
"1
В первой главе сделан краткий обзор некоторых из уже известных нелинейных эффектов на постоянном и переменном токе.
Во второй главе изложены качественные соображения, позволяющие объяснить механизм возникновения, пороговый характер и симметрию "токовых" состояний монокристаллов висмута, облучаемых сильным электромагнитным полем радиочастотного диапазона. Изложены основы теории и результаты экспериментального наблюдения автоколебаний макроскопического магнитного момента монокристалла висмута. Приведены результаты экспериментов показывающие, что еще до возникновения автоколебаний макроскопического магнитного момента образца поверхностный импеданс висмута имеет особенности на частотах, где при дальнейшем увеличении амплитуды высокочастотного магнитного поля возникают автоколебания.
Третья глава содержит результаты экспериментов, в которых асследовались возникновение и устойчивость электродинамические цоменов, на которые разбивается монокристаллический образец висмута или олова, находящийся в "токовом" состоянии.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального наблюдения и обсуждение эффекта взаимодействия двух электромагнитных волн разных частот при отражении от поверхности металла. Эффект не является слабым, так как действительная часть поверхностного импеданса на низкой частоте в присутствии высокочастотного поля изменяется в несколько раз.
В пятой главе речь идет о проникновении сильной электромагнитной волны в скомпенсированный металл, например висмут. Показано, что проникновение ее в висмут не описывается уравнением ?ипа диффузионного, с зависящими от амплитуды магнитного поля ;оэффициентами. Обнаружено, что в толще металла распространяется юлна с резким фронтом, по обе стороны которого магнитное поле меет разные знаки. Волна без заметного затухания пробегает рас-
- 6 -
стояния, значительно превышающие глубину скин-слоя в линейном режиме. На форму фронта оказывают влияние эффекты нелокальной связи между электрическим полем и плотностью тока, а также влияние на проводимость скомпенсированного металла градиента магнитного поля.
Б шестой главе обсуждается принципиальная возможность ис-юльзовать монокристалл висмута, находящийся в "токовом" состоянии, как элемент памяти, работающий при гелиевых температурах. 1риведены результаты испытания такого элемента памяти.
_ 7 -
Глава I. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ В МЕТАЛЛАХ
§ I. Нелинейные эффекты на постоянном
токе
Нелинейные эффекты на постоянном токе при всем их разнообразии наиболее просты для понимания. Нас будут интересовать голько те из них, которые можно наблюдать в металлах. Внутри 1еталла практически невозможно создать сильное статическое электрическое поле, поскольку из-за высокой проводимости появится ток Зольшой плотности, а вместе с ним и большое тепловыделение за )чет дкоулевых потерь энергии. Разогрев металла как целого ко-сечно приводит к нелинейной зависимости между напряжением и то-сом, которая, однако, в большинстве случаев является тривиаль-юй.
При обсуждении экспериментальных результатов Боровика Е.С. ,lj , Кагановым М.И. и Песчанским В.П. замечено, что при пони-;ении температуры металла нелинейные эффекты разогревного типа лановятся все более выраженными и менее тривиальными [z],
!десь речь идет уже не о разогреве металла как целого, а о ра-огреве только электронной системы в металле. При низких температурах характерное время, определяющее установление равновесия екду электронной и фононной системами, t рел может оказаться ольше как времени, за которое изотропизуется электронная функ-ия распределения, так и времени между двумя актами электрон-электронного рассеяния. В этих условиях электронная и фононная истемы будут иметь две различные температуры Те >v , причем безграничном металле обе эти температуры будут увеличиваться
- 8 -
зо временем из-за джоулевых потерь. Экспериментально возможность, юлучить различные температуры у электронной и фононной систем, установлена на висмуте и молибдене в работах [з~ь].
В двух из этих работ [з,ь] перегрев носителей тока относительно кристаллической решетки осуществлен не во всем объеме эбразца, а в узком канале, проходящем через инжектирующий микроконтакт и параллельном направлению постоянного магнитного поля. 1ри этом излучение неравновесных фононов из разогретой области ке в состоянии изменить температуру большого фононного резервуара, которым является остальной объем кристалла [б]. Следует ответить, что вообще, для того, чтобы электронную систему можно 5ыло характеризовать температурой, необходимо, чтобы тепловое равновесие внутрииее устанавливалось за времена существенно леньшие, чем характерное время, определяющее скорость "откачки" анергии из электронной системы. В висмуте при низких температу-аах в квантующем магнитном поле основным каналом
гередачи энергии от электронов к решетке является испускание ЮНОНОВ С энергией РрЗ^^Т , где рр - размер ферли-поверх-юсти в импульсном пространстве. Поэтому на актов
аассеяния на фононах (/И[рг)» I - фононные числа заполнения) [риходится один акт потери энергии. Уменьшение энергии электро-[а на /^/"произойдет за время {2М*!)Те р&, где Те,р£ - время южду двумя последовательными актами взаимодействия электрона с юнонами. Установление же симметричного распределения электронов :а внешнем цилиндре Ландау происходит за время релаксации по мпульсу [7]. Последнее обстоятельство позволяет ввести элект-онную температуру. Возможно, что данный механизм разогрева лектронной системы был экспериментально обнаружен в работе [то], ще более проста ситуация с молибденом, у которого при гелиевых емпературах «• Тв^.
В низкотемпературной области к необычным явлениям в ряде случаев может привести разогрев всего металлического образца как целого. К числу таких явлений относится возникновение /V--образных вольт-амперных характеристик у металлических образцов [в]. Экспериментально /^-образные вольт-амперные характеристики обнаружены на галии [э].
В сильном постоянном магнитном поле при низких температурах существуют механизмы нелинейности, не связанные ни с разогревом электронной системы металла, ни с разогревом металла как делого. Если выполнено условие
S1 т »i (i.i)
?де $1-циклотронная частота, а Г- время релаксации электронов ю импульсу, то в скрещенных электрическом и магнитном полях у юсителей тока появляется дрейф в направлении, перпендикулярном юлям, со скоростью с Е/Н, здесь Е, Н - напряженности электрижского и магнитного полей, соответственно, с - скорость света, [ри выполнении условия
с Е /и> S U.2)
де 5 - скорость звука в металле, возникает черенковское излу-ение фононов электронной системой [п,12]. В результате на юльт-амперной характеристике металла появляется излом, обуслов-енный увеличением частоты электрон-фононного рассеяния [1з]. тот эффект впервые был обнаружен Езаки [ы] на висмуте. В пос-едующих работах [15,1б] было показано, что из-за анизотропии лектронного спектра висмута генерация фононов, а вместе с ней и елинейность вольт-амперной характеристики, возникает даже при зныиих напряженностях электрического поля, чем это следует из зловия (1.3).
- 10 -
*л
Другая возможность, получения нелинейных вольт-амперных сарактеристик в сильном постоянном магнитном поле, рассмотрена }луцкиным A.A. и Кадигробовым A.М. [l7]. Ими предсказано появление //-образных вольт-амперных характеристик в условиях когерентного магнитного пробоя.
До сих пор мы пренебрегали влиянием собственного поля тока за проводимость. Однако, в скомпенсированных металлах и особен-зо полуметаллах (у которых эффективная масса носителей тока
) магнитное поле тока может существенно изменить прово-оимость уже при сравнительно небольших плотностях тока. Чтобы в этом убедиться, рассмотрим случай пластины из скомпенсированного юлуметалла (смотри вставку рис. I), по которой течет ток плот-зости Jx . Электронный спектр будем считать для простоты квадратичным, массы ґгі* и времена релаксации Т у электронов и дырок равными. В статическом случае, когда все величины не зави-зят от времени, уравнения Максвелла можно записать в виде:
— О (1.3)
(1.4)
1з уравнения (1.4) сразу следует, что электрическое поле Е х зднородно внутри пластины. Поэтому во втором уравнении проводи-юсть б(Н,) может быть записана в виде:
6(Н3)*60/1ЫНу <1-5)
'де Т /м с). Тогда уравнение (1.5) легко интегрируется, и 1Ы получим следующее уравнение:
- II -
Рис.I. Вольт-амперная характеристика металлической пластины /сплошная линия/. Еёотклонение от линейного вида связано с изменением проводимости металла под влиянием собственного магнитного поля тока.
- 12 -
Н,(г) + ^£ = Ч£6,Е*2 +8 , /1.6/
здесь 6 - константа интегрирования. Так как при? =0 =0,
то &=0. Из уравнения /1.6/ можно определить характерное электрическое поле £с, разделяющее область слабых и сильных электрических полей, при котором 1 :
Ес-іс/ізїЄ0ґхД /і.?/
Не решая уравнение /1.6/, напишем вид зависимости от ^полного тока через пластину шириной Л и толщиной для случаев слабого / £,«£«/ и сильного /£х»£с/ электрического поля:
, £* «£*
, £* »£с Я’8/
На рис. I изображены пунктирными линиями зависимости С7 от в этих предельных случаях.
Оценим характерные токи, при которых нелинейность в реальной металлической пластине станет сильной. Будем считать, что толщина пластины Д =1см, ширина /л =10см, Т =Ю“9сек, а эффективная масса ҐИ =0,1 т* . Тогда в интервале значений &Ес =Ют-103 А/см3 возможно наблюдение нелинейной вольт--амперной характеристики, изображенной сплошной линией на рис. I. Полный ток через пластину не превысит величины 10%, что легко достижимо и не сопровождается существенным разогревом пластины.
- Київ+380960830922