Helicón (física)

Helikon ( griego antiguo ἕλιξ , género. ἕλικος - anillo, espiral) es una onda electromagnética de baja frecuencia que se produce en un plasma no compensado ubicado en un campo magnético externo constante .

De la historia del descubrimiento

La existencia de excitaciones electromagnéticas del tipo helicón en el plasma de sólidos fue predicha en 1960 : en metales - por O. V. Konstantinov y V. I. Perel [1] , en semiconductores - por P. Egren [2] . El término "helicón" fue introducido por Egren y reflejaba la naturaleza circular de la polarización de esta onda. Un año después, se detectaron experimentalmente helicones en sodio [3] . En el mismo año, se estableció que las llamadas "atmosféricas silbantes" (silbatos) son ondas helicónicas que se propagan en el plasma gaseoso de la ionosfera terrestre .

Modos de existencia de los helicones

La posibilidad de propagación de ondas electromagnéticas en medios bien conductores en presencia de un fuerte campo magnético se puede explicar de la siguiente manera. En ausencia de campo magnético, se produce en el medio el efecto piel : bajo la acción de una radiación de frecuencia inferior a la del plasma , surgen corrientes que apantallan la perturbación electromagnética e impiden que penetre profundamente en la sustancia. El campo magnético debilita este blindaje, haciendo que los portadores de carga se muevan de manera más ordenada bajo la influencia de la fuerza de Lorentz y evitando que respondan de manera efectiva al campo de ondas electromagnéticas. Esto hace posible que los helicones de baja frecuencia se propaguen en el medio.

Dependiendo de la relación entre el camino libre medio de los portadores de carga y la longitud de onda de la excitación electromagnética, se distinguen los modos "local" y "no local" de propagación de helicones. Para considerar cada uno de estos casos, es necesario aplicar varios enfoques teóricos y experimentales.

Modo local

La condición de localidad se puede escribir como , donde es el número de onda del helicón, es el camino libre medio de los portadores de carga ( electrones ). Las principales características de las ondas helicónicas se pueden obtener en el modelo de electrones libres . Considerando la incidencia de una onda de frecuencia electromagnética sobre un medio conductor en condiciones de equilibrio instantáneo, se puede obtener la relación de dispersión para el helicón: ${\ estilo de visualización ql<<1}$ $q$ $yo$ $\omega$

$q_{\pm }^{2}=\omega \mu _{0}/\rho (\pm u+i)\cos \phi$ ,

donde es la permeabilidad magnética del vacío , es la resistencia , es la tangente del ángulo de Hall entre la corriente y la intensidad del campo eléctrico , es un campo magnético constante , es el ángulo entre y . Aquí , es la masa del electrón, es su carga , es la densidad de los electrones, es el tiempo característico durante el cual los portadores pierden impulso en las colisiones con la red; es la constante de Hall , es la frecuencia ciclotrónica de las portadoras. La condición para que las ondas se propaguen es la desigualdad . En un metal semi-infinito , un helicón que se propaga a lo largo de un campo magnético constante es una onda polarizada circularmente transversal cuyos campos eléctricos y magnéticos giran alrededor de la dirección de propagación en la misma dirección que los electrones. $\mu_{0}$ ${\ estilo de visualización \ rho = m / ne ^ {2} \ tau}$ $u=RB_{0}/\rho =\omega_{c}\tau$ $B_{0}$ $\fi$ $q$ $B_{0}$ $metro$ $mi$ $norte$ $\tau$ $R=1/ne$ $\omega_{c}=eB_{0}/m$ $|{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|$

En el caso general, es necesario tener en cuenta la naturaleza tensorial de los parámetros del medio, en particular, la resistencia , así como las condiciones de contorno en la situación de estructuras limitadas espacialmente. $\rho$

Modo no local

La condición para la no localidad es la relación , es decir, muchas longitudes de onda del helicón caben dentro del camino libre medio . Por lo tanto, en este caso, el movimiento microscópico (ciclotrón) de los portadores de carga no puede despreciarse. Desde un punto de vista matemático, esto lleva a la necesidad de calcular el tensor de conductividad no local . La imagen física en el caso no local está determinada por los efectos de la absorción de ondas sin colisión por parte de los portadores, cuyos casos extremos son la resonancia de ciclotrón con desplazamiento Doppler (condición de absorción , donde la velocidad de los electrones libres es igual a la velocidad de Fermi ) y la resonancia magnética de Landau. amortiguamiento ( ). Estos procesos limitan significativamente el rango de existencia de las ondas helicónicas que se propagan. ${\ estilo de visualización ql>> 1}$ $qV_{F}/\omega _{c}>1$ $V_{F}$ $qV_{F}/\omega_{c}<<1$

Experimentos con helicones

Métodos de investigación

Los principales métodos para observar y estudiar helicones incluyen:

El método de bobinas cruzadas (una bobina excita el helicón y la segunda, ortogonal a ella, registra su campo en la muestra)
Método de interferometría (la señal de salida total es el resultado de la interferencia de la señal del helicón con alguna señal de referencia)
Interferometría de bobina simple (para medir señales de alta frecuencia)
Métodos de impedancia superficial

Resultados de la investigación

Las observaciones experimentales de helicones en el régimen local permiten medir la constante de Hall, la magnetorresistencia y la absorción superficial de ondas para varias geometrías de muestra.

Los experimentos en el régimen no local en condiciones de absorción de ciclotrón y amortiguamiento de Landau permiten determinar la impedancia superficial de las muestras, la forma de la superficie de Fermi y evaluar el papel de las colisiones en los procesos de amortiguamiento. Un área separada de investigación es el estudio de la interacción de los helicones con otros tipos de excitación en la materia: con sonido ( interacción helicón-fonón , que permite la excitación electromagnética de ondas acústicas ), con momentos magnéticos de núcleos ( absorción de RMN del helicón), con ondas de espín en ferromagnetos ( interacción helicón-magnón ).

Por lo general, los helicones en experimentos de laboratorio se obtienen en el plasma de sólidos o tubos de descarga con plasma gaseoso. En 2015, investigadores estadounidenses informaron haber obtenido helicones en un plasma sin restricciones, lejos de cualquier superficie. Este logro permite estudiar en el laboratorio la ocurrencia de este tipo de ondas en una situación cercana a las condiciones existentes en el espacio exterior. [cuatro]

Notas

↑ V.O. Konstantinov, VI . Perel . Sobre la posibilidad de que las ondas electromagnéticas atraviesen un metal en un fuerte campo magnético // ZhETF. - 1960. - T. 38 . - art. 161 .
↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Proc. En t. Conf. on Semiconduction Phys., Praga, 1960. - P. 224 .
↑ R. Bowers, C. Legendy y F. Rose. Efecto galvanomagnético oscilatorio en sodio metálico // Phys. Rvdo. Letón. - 1961. - T. 7 , N º 9 . - S. 339-341 .
↑ Stenzel RL, Urrutia JM Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters . - 2015. - Vol. 114. - doi : 10.1103/PhysRevLett.114.205005 .

Literatura

Kaner E. A. Helikon Archivado el 22 de marzo de 2012 en Wayback Machine // Encyclopedia of Physics. - T. 1. - M .: Sov. Encicl., 1988. - S. 428.
Maxfield B. Helicons en sólidos // Avances en Ciencias Físicas . - Academia Rusa de Ciencias , 1971. - T. 103 , número. 2 . - S. 233-273 . (Ruso)
Skobov VG, Kaner EA Ondas electromagnéticas en metales en un campo magnético // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusa de Ciencias , 1966. - T. 89 , no. 7 . (Ruso)
Estados de Skyrmion en cristales líquidos quirales J. de Matteis, L. Martina, V. Turco