Магнитные поверхностные уровни. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитные поверхностные уровни - квантовые энергетич. уровни электронов проводимости, движущихся в проводнике вблизи его поверхности под действием параллельного ей постоянного магн. поля. Для возникновения М. п. у. необходимы: большая длина свободного пробега электронов и большая вероятность их зеркального отражения при столкновенип с поверхностью проводника. Выполнение этих условии достигается при гелиевых температурах (4,2 К) в очень чистых монокристаллах проводников, имеющих оптически гладкую поверхность.

Рис. 1, а - траектория электрона, "скачущего" внутри проводника по его поверхности под действием силы Лоренца, создаваемой магнитным полем; б - траектория "скачущего" электрона в импульсном пространстве; показано сечение поверхности Ферми плоскостью рисунка; О - опорная точка.

Квазиклассич. картина явления состоит в следующем. М. п. у. возникают в проводнике для электронов, фермиевская скорость

к-рых почти параллельна поверхности образца. В пространстве импульсов эти электроны находятся на ферми-поверхности в малой окрестности её т. н. опорной точки О, в к-рой

точно параллельна поверхности образца. Магн. поле, воздействуя на электроны этой группы силой Лоренца, удерживает их у поверхности образца. В этих условиях электроны движутся по дугам малой кривизны, возвращаясь к поверхности образца и зеркально отражаясь от неё. Тем самым электроны совершают периодич. движение (электроны "скачут" по поверхности, рис. 1, а), к-рое должно быть квантовано. Разрешёнными оказываются орбиты, для к-рых магн. поток через сегмент, образуемый дугой траектории и поверхностью образца, равен

где n=1, 2, ..., е - элементарный заряд. В импульсном пространстве движению по скачущим орбитам соответствует движение по замкнутой орбите на поверхности Ферми в малой окрестности точки О (рис. 1, б), к-рое квантуется.

Квантовое рассмотрение движения электронов приводит к выражению для значений магн. поля Я_пь при к-рых имеют место максимумы резонансного поглощения эл--магн. поля частоты

Здесь п, k=1, 2, 3, ...;

;

; R - радиус кривизны орбиты электронов в точке О.

Экспериментально существование М. п. у. обнаруживается как осцилляции (с амплитудой

0,1%) полного поверхностного сопротивления проводника (

10-100 ГГц) в зависимости от магн. поля, изменяющегося в пределах 0,1-100 Э (рис. 2). М. п. у. изучались на монокристаллах Sn, Bi, In, Cd, Al, Cu [1, 2]. Природа осцилляции аналогична эффекту де Гааза - ван Альфена (см. Квантовые осцилляции в магнитном поле). Вычисленные по ф-ле (2) и по известным параметрам поверхности Ферми Bi значения

точно совпадают с измеренными максимумами реактивного поверхностного сопротивления образца Bi [3-5].

Ф-ла (2) верна для образцов с плоской поверхностью; если же образец имеет цилиндрич. поверхность, то спектр

изменяется. Наблюдается смещение и уширение линий спектра [6]. К изменению ширины и амплитуды линий приводит также изменение состояния поверхности образца (полировка, травление и др.).

Рис. 2, а - измеренные осцилляции поверхностного сопротивления (реактивного X)образца Bi при температуре 1,7 К на частоте 9,7 Ггц; б - рассчитанный спектр значений

поля резонансного поглощения излучения электронами, находящимися на магнитных поверхностных уровнях.

В образце сверхпроводника первого рода в магн. поле, меньшем критического, существует лишь один М. п. у. нормальных электронов. Положение и ширина единств. линии поглощения определяется характером проникновения магн. поля в поверхностный слой сверхпроводника [7].

Исследование М. п. у. даёт возможность измерять параметры поверхности Ферми, изучать распределение магн. поля в поверхностном слое проводника и характер взаимодействия электронов с его поверхностью.

Литература по магнитным поверхностным уровням

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.