Resonancia de ciclotrón

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La resonancia de ciclotrón (CR) es el fenómeno de absorción o reflexión de ondas electromagnéticas por conductores colocados en un campo magnético constante a frecuencias iguales o múltiplos de la frecuencia del ciclotrón de los portadores de carga .

Historia

El fenómeno fue predicho por Ya. G. Dorfman e, independientemente de él, por el físico inglés G. Dingle [1] . La primera observación de resonancia de ciclotrón fue realizada en 1953 por A. Kip, J. Dresselhaus y C. Kittel en cristales de germanio [2] . En 1956-1958, los físicos soviéticos M. Ya. Azbel y E. A. Kaner predijeron teóricamente la resonancia del ciclotrón en los metales [3] y desarrollaron su teoría [4] , como resultado de lo cual el fenómeno mismo se denominó resonancia (efecto) del ciclotrón de Azbel-Kaner. [5] [6] [7] .

Descripción del fenómeno

En un campo magnético constante, los portadores de carga se mueven en espirales , cuyos ejes están dirigidos a lo largo de las líneas del campo magnético. En un plano perpendicular al campo magnético H , el movimiento es periódico con una frecuencia . Esta frecuencia se define como (en el sistema CGS ). $\omega_{c}$ $\omega _{c}={\frac {qH}{m_{c}c}}$

El vector velocidad también gira con la misma frecuencia. Si, en este caso, la partícula está en un campo eléctrico uniforme con una frecuencia , entonces la energía absorbida por ella también resulta ser periódica en el tiempo con una frecuencia . La energía media absorbida durante mucho tiempo aumenta bruscamente a . $\omega$ ${\displaystyle \omega =\omega _{c))$ $\omega \aprox \omega _{c}$

Condiciones de observación

La resonancia del ciclotrón se puede observar si los portadores de carga dan muchas revoluciones antes de disiparse. Esta condición tiene la forma , donde es el tiempo promedio entre colisiones. En un sólido, el papel principal lo desempeñan la dispersión por defectos de red y la dispersión por fonones . Este último proceso impone una limitación en la observación de CR a bajas temperaturas T < 10 K para frecuencias y campos magnéticos "normales" (la resonancia de ciclotrón a temperatura ambiente se puede observar en campos magnéticos superfuertes ). ${\ Displaystyle {\ omega _ {c}} \ tau \ gg 1}$ $\tau$

Descripción matemática

Al observar el CR, el radio de la órbita del ciclotrón resulta ser mucho más pequeño que la longitud de onda de la radiación , lo que permite introducir una relación local entre la densidad de corriente inducida y la intensidad del campo eléctrico , y utilizar la aproximación del dipolo . En este caso, la potencia absorbida por unidad de volumen viene descrita por la siguiente expresión:

$P={\frac {1}{2}}Re(j_{i}E_{i}^{*})={\frac {1}{2}}(\sigma_{{ij}}E_{j }E_{i}^{*})$ .

La forma de la línea de absorción viene dada por la parte real . La teoría clásica de resonancia de ciclotrón para una masa efectiva isotrópica da la siguiente expresión para : $\sigma$ $Re\sigma$

$Re\sigma_{{\pm }}=\sigma_{0}{\frac {1/\tau }{(\omega \pm \omega_{c})^{2}+1/\tau ^{ 2}}}$ , , donde es la concentración de partículas , es la carga , es la masa efectiva del ciclotrón y es el tiempo medio entre colisiones. $\sigma _{0}={\frac{Nq^{2}\tau}{m_{c}}}$ $norte$ $q$ $m_{c}$ $\tau$

Se puede ver que la línea CR es una línea de Lorentz , cuyo factor de calidad está determinado por . $\omega _{c}\tau$

Aplicación de la CR

El estudio de la resonancia del ciclotrón es un método efectivo para determinar las propiedades de varios materiales. En primer lugar, CR se utiliza para determinar las masas efectivas de los portaaviones.

A partir de la mitad del ancho de la línea CR, se pueden determinar los tiempos de dispersión característicos y, por lo tanto, determinar la movilidad del portador .

El área de la línea se puede usar para determinar la concentración de portadores de carga en la muestra.

CR también se utiliza para depositar películas delgadas de materiales semiconductores. El uso de CR permite depositar películas a una presión residual más baja ( 10 -7 Torr ). El uso de CR le permite utilizar el efecto de "plasma frío" .

Enlaces

↑ Dorfman Ya. G. Acerca del término "resonancia de ciclotrón". UFN 61 133–134 (1957)
↑ Dresselhaus, G., Kip, A.F. y Kittel, C., Phys. Rev. 92, 827 (1953), carta.
↑ REVISIÓN CIENTÍFICA DE LOS ESTUDIOS DE UCRANIA, CRECIMIENTO PARA EL PERÍODO 1938-1990 (registro estatal) Ciencia e innovación. 2008. T 4. No 5. S. 47
↑ Teoría de la resonancia de ciclotrones en metales
↑ Jenö Sólyom "Fundamentos de la física de los sólidos: Volumen II: Propiedades electrónicas"
↑ Rudolf Herrmann, Uwe Preppernau "Elektronen im Kristall"
↑ Azbel - Resonancia de ciclotrón de Kaner