Главная » 2014»Август»18 » Скачать Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов. Чупров, Павел Николаевич бесплатно
10:29 PM
Скачать Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов. Чупров, Павел Николаевич бесплатно
Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов
Диссертация
Автор: Чупров, Павел Николаевич
Название: Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов
Справка: Чупров, Павел Николаевич. Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.07 Черноголовка, 1984 151 c. : 61 85-1/1579
Объем: 151 стр.
Информация: Черноголовка, 1984
Содержание:
стр ЗВЕДЕНИЕ
Глава I , НЕЛИНЕЙНЫЕ ШФЖТЫ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ В МЕТАЛЛАХ
§I , Нелинейность на постоянном токе
§, Металлы в радиочастотном поле большой амплитуда'
§, Нелинейные эффекты в СВЧ диапазоне
Глава
II АВТОКОЛЕБАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО МШЕНТА В МЕТАЛЛАХ И СИММЕТРИЯ ТОКОВЫХ СОСТОЯНИЙ В ВИСМУТЕ <^
§! • Токовые состояния Качественное обсуждение и теория
§2, Симметрия токовых состояний
§3, Устойчивость макроскопического магнитного момента и автоколебания
§4, Методика наблюдения автоколебаний ^^
§5 Экспериментальное наблюдение автоколебаний в висмуте б^
§6 Поверхностный импеданс висмута на низких частотах ^^
Глава
III ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ В ЖТАЛПИЧЕСКИХ ПЛАСТИНКАХ ^^
§I , Общие соображения о существовании электродинамических доменов в металлических пластинах -
§, Экспериментальное подтверждение существования электродинамических доменов • :лава 1У ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН ПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ НОРМАЛЬНОГО МЕТАЛЛА
§I , Методика измерения
§Экспериментальные результаты
§Возможные механизмы возникновения нелинейности ['лава У НЕДИФФУЗИОННОЕ ПРОНИКНОВЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ВИСМУТ
§I Постановка задачи
§, Методика измерений и экспериментальные результаты
§Обсуждение экспериментальных результатов И"?
Глава У1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЖ МЕТАЛЛА В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕ1Ш1ТА ПАМЯТИ
§I Принцип работы элемента памяти на монокристалле металла
§, Результаты экспериментов IS'^ ЗАКЛШЕНИЕ
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 разнообразEfflx 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 улучшенизм качества металлических монокристаллов нелинейные эффекты становятся ярко выраженными, даже при сравнительно низких напрякенностях электрического и магнитного поля в толще металла.Наконец, надежда на создание новых элементов криогенной электроники на основе металлических монокристаллов связана с использозанием именно нелинейных свойств.Данная диссертационная работа посвящена дальнейшему изучешю уже известных и поиску новых низкотемпературных электродишмических нелинейных эффектов, которые можно наблюдать, если зеталлический образец (висмута, олова) облучается переменным >лектромагнитным полем большой амплитуды. В экспериментах исследован частотный диапазон от 170 Гц до нескольких мегагерц.Диссертация состоит из шести глав, в которых обсуждаются [елинейные свойства нормальных металлов. - 5 В первой главе сделан краткий обзор некоторых из уже известных нелинейных эффектов на постоянном и переменном токе, Во второй главе изложены качественные соображения, позволшощие объяснить механизм возникновения, пороговый характер и симметрию "токовых" состояний монокристаллов висмута, облучаемых сильным электршагнитным 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 «larHHTHoro момента образца поверхностный импеданс висмута имеет особенности на частотах, где при дальнейшем увеличении амплитуда высокочастотного магнитного поля возникают автоколебания, Третья глава содержит результаты экспериментов, в которых исследовались возникновение и устойчивость электродинамическж аоменов, на которые разбивается монокристаллический образец висмута или олова, находящийся в "токовом" состоянии. В четвертой главе приводятся результаты экспериментального 1аблюдения и обсуждение эффекта взаимодействия двух электромагзитных волн разных частот при отражении от поверхности металла.Зффект не является слабым, так как действительная часть поверхiocTHoro импеданса на низкой частоте в присутствии высокочастотюго поля изменяется в несколько раз.В пятой главе речь идет о проникновении сильной электромагштной волны Б скомпенсированный металл, например висмут. Показано, что проникновение ее в висмут не описывается уравнением ?ипа диффузионного, с зависящими от амплитуды магнитного поля коэффициентами. Обнаружено, что в толще металла распространяется юлна с резким фронтом, по обе стороны которого магнитное поле |яеет 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 звязи между электрическим полем и плотностью тока, а также влияние на проводимость скомпенсированного металла градиента \лагнитного поля.В шестой главе обсуждается принципиальная возможность исюльзовать монокристалл висмута, находящийся в "токовом" состо1НИИ, как элемент памяти, работающий при гелиевых температурах.1риведены результаты испытания такого элемента памяти. - 7 Глава !• НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ В МЕТАЛЖХ § I . Нелинейные эффекты на постоянном токе Нелинейные эффекты на постоянном токе при всем их разнообразии наиболее просты для понимания. Нас будут интересовать только те из них, которые можно наблюдать в металлах. Внутри металла практически невозможно создать сильное статическое электрическое поле, поскольку из-за высокой проводимости появится ток большой плотности, а вместе с ним и большое тепловыделение за )чет дкоулевых потерь энергии. Разогрев металла как целого коючно приводит к нелинейной зависимости между напряжением и тоюм, которая, однако, в большинстве случаев является тривиальюй.При обсуждении экспериментальных результатов Боровика E.G. "l] , Кагановым М.И. и Песчанским В.П. замечено, что при пони:ении температуры металла нелинейные эффекты разогревного типа :тановятся все более выраженными и менее тривиальными L2], !десь речь идет уже не о разогреве металла как целого, а о раогреве только электронной системы в металле. При низких темпеlaTypax характерное время, определяющее установление равновесия ежду электронной и фононной системами, tрел может оказаться ольше как времени, за которое изотропизуется электронная функия распределения, так и времени между двумя актами электронэлектронного рассеяния. В этих условиях электронная и фононная истемы будут иметь две различные температуры \е >1Р^, причем безграничном металле обе эти температуры будут увеличиваться - 8 30 временем из-за джоулевых потерь. Экспериментально возможность, юлучить различные температуры у электронной и фононной систем, ^остановлена на висмуте и молибдене в работах [3 -5 / , В двух из этих работ f3,5j перегрев носителей тока относительно кристаллической решетки осуществлен не во всем объеме эбразца, а в узком канале, проходящем через инжектирующий микрохонтакт и параллельном направлению постоянного магнитного поля.Е X Рис,I. Вольт-амперная характеристика металлической пластины /сплошная линия/. Еёотклонение от линейного вида связано с изменением проводимости металла под влиянием собственного магнитного поля тока.Б ряде работ [34-42J исследованы нелинейные эффекты в слу[аях, когда электромагнитная волна затухает в металле слабо, 1еременное электромагнитное поле, слабо затухающее на размере )бразца, может быть создано в скомпенсированном металле, помеченном в сильное 12г » I магнитное поле, за счет магнетосопро?ивления или же при распространении по металлу электромагнитных юлн: доплеронов, геликонов, циклотронных волн и т.д, В первом 1лучае L35,36 ,4OJ нелинейность возникает за счет влияния магнит[ого поля волны на проводимость и магнитную восприимчивость об)азца. Влияние будет особенно сильным, если внешнее постоянное larHHTHoe поле является квантующим [39,40] .Во втором случае возможны два варианта. У ряда волн зату:ание определяется электронами малой группы (затухание Ландау). 'обственное магнитное поле волны, изменяя характер движения этой •лектроннои группы в координатном пространстве, изменяет величи[у затухания [34,37,38]. У геликонов, например, магнитное зату:ание Ландау определяется группой электронов, резонансно взаиюдействующих с волной, если - I? где k^ - проекция волнового вектора волны и 14 - проекция скорости электронов на направление постоянного магнитного поля, Магнитное поле геликона может иметь компоненту, параллельную внешнему магнитному полю, поэтому силовые линии суммарного магнитного поля, сгущаясь и разрежаясь, образуют систему скрученных "магнитных бутылок". При достаточно большом поле волны электроны, захваченные "магнитной бутылкой", совершают внутри нее колебания с частотой превышающей L 9ср<р. • В результате магнитное затухание Ландау у геликонов уменьшается L37J. Ка1ественно близкий механизм нелинейности изменяет затухание [ 38j а закон дисперсии (^ ij доплеронов, Другой канал нелинейности - влияние магнитного поля волны la макроскопические величины, определяемые электронами всей ^рми-поверхности и зависящие от магнитного поля. В качестве гримера приведем случай геликонного резонанса в металлической шастине. В сильных магнитных полях, когда расстояние мокду мак)имумами осцилляции магнитного момента (эффект де Гааза-ван Аль)ена сравнивается с полем геликона, магнитный момент металла ;ачинает осциллировать с частотой геликона. Учет этого явления • уравнениях Максвелла приводит к изменению закона дисперсии геккона и сдвигу частоты первого геликонного резонанса [34]. ильная зависимость формы и положения линии первого геликонного езонанса от амплитуды волны обнаружена и при распространении еликона в металлической пластине с диамагнитными доменами [42].Подводя итог сказанному в этом параграфе следует отметить, го исследования на переменном токе продемонстрировали большое азнообразие нелинейных эффектов, причем, наиболее яркие проявзния нелинейности были в тех случаях, когда лишь малая группа - 18 электронов металла взаимодействовала с электромагнитным полем. § 3. Нелинейные эффекты в СШ диапазоне Существенное отличие данного диапазона частот от рассмотренных ранее случаев состоит в том, что электрическое и магнитное поля волны в металле уже нельзя рассматривать, как квазиотатические, поскольку ?с^ Г ^ I , где uJ,/Z7r- частота СВЧ поля, а Г - время релаксации электронов. Поэтому для объяснения нелинейных явлений нельзя пользоваться феменологическим подходом, учитывающим зависимость статического магнитосопротнвления от магнитной компоненты СВЧ волны в металле, а всегда необходимо микроскопическое рассмотрение с использованием кинетического (Сравнения Больцмана. Однако, для качественного понимания природы возникающей нелинейности, как правило, достаточно анализа /равнений движения носителей заряда в присутствии поля сильной волны.Другим осложняющим рассмотрение нелинейных эффектов в СВЧ щапазоне обстоятельством является учет влияния электрического юля волны. Хотя по-прежнему, если в металле нет свободно расфостраняющихся волн, то даако, соотношение между Е, и П/ оказывается таким, что при шзких температурах эффекты разогрева электронной системы могут '.онкурировать с нелинейностью, обусловленной магнитным полем юлны.В случае сильно затухающих вглубь металла волн эксперимены, в сущности, сводятся к измерениям двух типов: измерению изучаемой образцом второй гармоники и измерению постоянных токов ли разностей потенциалов в образце, появляющихся в результате - 19 облучения. Большинство экспериментов выполнено на монокристаллах висмута, и лишь отдельные эксперименты сделаны на других металлах.Исследования по генерации второй гармоники показали f44, 45], что она существует в интервале от комнатных до гелиевых температур, и, возрастая по мере понижения температуры, выходит на насыщение L45J. Анализ уравнений движения электрона в магEflTHOM поле волны и внешнем магнитном поле [64j подтверждает основные выводы сделанные в работах [44,45j, что нелинейность эбусловлена действием силы Лоренца на носители заряда. Следует добавить L64J, что к причинам генерации удвоенной частоты можно этнести градиент электрического СВЧ поля в металле, наличие сраницы раздела металл-вакуум, то есть поверхности образца.В сильных магнитных полях в висмуте распространяются слабозатухающие магнитоплазменные волны (МПВ), При достаточно больаой амплитуде МПВ можно наблюдать такие нелинейные эффекты, как )амовоздействие МПВ [бз], проявляющееся в зависимости поглощешя волны средой от амплитуды МПВ, удвоение частоты Г4б7, изме1ение коэффициента затухания слабой МПВ (с частотой Ц ) в при)утствии сильной МПВ (с частотой U):^ ) [бо]. При прохождении )ильной МПВ в монокристалле висмута происходит самовозбуждение )равнительно низкочастотных колебаний магнитного поля (электри[еского тока). Форма колебаний несинусоидальна и напоминает юследовательность всплесков. Возникновение всплесков существеним образом связано с ориентацией магнитного поля относительно - 21 кристаллографических направлений висмута. Это явление тесно звязано со скачком радиоэлектрического тока Г56j.Другим ярким проявлением нелинейности в СВЧ диапазоне явияется возникновение постоянной радиоэдс в образцах висмута, заходящихся в сильном магнитном поле и облучаемых СВЧ. Впервые такой эффект был обнаружен при гелиевых температурах в полях юрядка нескольких килоэрстед [49]. В дальнейшем fsoj было установлено, что возникновение постоянной радиоэдс в образцах вислута вызвано двумя причинами: поперечной термомагнитной ЭДС 1ернста-Эттингсгаузена, возникающей из-за нагрева образца токали СВЧ, и ЭДС, появляющейся в результате действия магнитоплазленных волн распространяющихся в образце. В этой же работе авDopH обсудили возможные механизмы, приводящие к выпрямлению электрического СВЧ поля, и высказали предположение, что радиоэдс можно обнаружить по магнитному полю токов, порождаемых ею, Ракой постоянный ток и связанное с ним магнитное поле вскоре 5ыли обнаружены [5lJ, В дальнейшем появились теоретические зтатьи, в которых обсуждались причины возникновения радиоэдс.Рассмотрим два полупериода электромагнитного поля. В тот юлупериод, когда переменное магнитное поле на поверхности сов[адает по направлению с внешним полем, существуют электронные ?раектории с характерным размером В, (смотри рис. За). В другой юлупериод, при_антипараллельном направлении магнитных полей H^ i скин-слое и Нр в объеме, существуют траектории с характерным )азмером ]?^ ^ (смотри рис. 36). Двигаясь по этим траекториям, >лектрон один раз за период движения появляется в скин-слое, до и взаимодействует с переменным электромагнитным полем. Пока тол вылета электрона из скин-слоя мал (^fe]eH,/ppC <*|- глубина скин-слоя, е , р^- заряд и фермиевский импульс 1лектрона, и С - скорость света) траекториям с характерным раз- 25 ®Н. Характерное поле f\, задающее масштаб полей при расчете еличины поля выпрямленного тока, имеет простой физический мысл. Это такое магнитное поле, в котором длина дуги электроной траектории, умещающейся в скин-слое, равна длине свободного робега электрона. В полуметаллах типа висмута величина -й сосавляет примерно 10"^ э для частоты и),, порядка 10^ Гц. В типич- 33 Ешх металлах эффективные массы на два порядка больше, чем в висмуте, но глубина скин-олоя на той же частоте на порядок менью, чем в висмуте, поэтому г? для таких металлов будет примерно Ю"^ э .Исследуемый образец помещался внутрь катушки индуктивнос?и, которая использовалась как для создания радиочастотного )лектромагнитного поля, так и для регистрации производной магштного момента образца по амплитуде высокочастотного магнитного юля on / ^hi , При модуляции амплитуды высокочастотного шгнитного поля П\ в измерительной катушке возникает ЭДС ин•З'кции 6 , причем |десь у - магнитный поток, создаваемый магнитным полем выпрям[енного тока %через витки катушки индуктивности. Частота моду[яции ^/ve^. была порядка нескольких сотен герц, что обеспечивало :орошую чувствительность установки. Уменьшение частоты модуляции ;е приводило к изменениям экспериментальных записей гистерезис- 44 ных петель, Катушка индуктивности, схематически изображенная вместе с образцом на рис. 10, и конденсатор переменной емкости С образовывали параллельный колебательный контур, который настраивался в резонанс для получения больших амплитуд переменного магнитного поля на поверхности образца. Фильтр высоких частот пропускал сигнал низкой частоты и подавлял высокочастотный сигнал. Одновременно он служил для согласования импедансов колебательного контура и входа усилителя У2-6, работавшего в узкополосном режиме на частоте модуляции высокочастотного магнитного поля. После ?^силения и синхронного детектирования сигнал, пропорциональный 1роизводной магнитного момента образца по амплитуде радиочасротного магнитного поля, записывался самописцем, на ось абсцисс, которого подавалось напряжение, пропорциональное величине постоянного магнитного поля Но. Постоянное магнитное поле создавалось двумя катушками Гельмгольца, со встроенными модуляционными хатушками. Модуляция Но использовалась во время ориентации образца. В экспериментах выбиралась такая ориентация кристаллографических направлений висмута, при которой высокочастотный [•ок скин-слоя параллелен оси Cj. Магнитное поле Но можно было юворачивать в плоскости образца (точность установки I дуговой градус). Образец и измерительная катушка находились в жидком ?елии. Температуры ниже 4,2 К получались откачкой паров гелия. /[агнитное поле Земли компенсировалось системой из трех пар катуаек Гельмгольца.Коротко основные экспериментальные данные сводятся к следующему. Существуют две области значений постоянного магнитного поля с несколькими устойчивыми состояниями макроскопического магнитного момента образца, во-вторых, гистерезисные петли "токовых" состояний, в общем случае, имеют многоступенчатую фор^у, го есть вместо одного скачкообразного изменения макроскопического магнитного момента происходит подряд несколько (смотри рис. I I ) . Наличие на гистерезисных петлях ряда скачков вместо эдного, может быть связано с образованием электродинамических иоменов, и об этш пойдет речь в главе Ш. Существование же боковой гистерезисной петли связано с многодолинностью ферми-поверхности висмута.Резюмируя написанное выше, можно отметить удовлетворительзое согласие теории с экспериментальными результатами, несмотря за множество сделанных упрощающих предположений. § 3, Устойчивость макроскопического магнитного момента и автоколебания Уже при качественном рассмотрении причин возникновения тоювых состояний (рис. 4) было продемонстрировано, что в простейшем случае при Hj,=0 образец может находиться в одном из четырех "токовых" состояний. Однако, осталось неясным, все ли че?ыре состояния устойчивы. (Известно, что в аналогичных системах, юлучающих энергию от внешнего источника, например, высокочас?отного поля, возможно появление автоколебаний L68,69j.) Ниже - 53 рассмотрены условия устойчивости "токовых" состояний.Допустиг1Л, в образце, обладающем за счет выпрямления магнитEflM моментом, возникает неоднородная добавка А л (г»,Г) к полю выпрямленного тока Добавка параллельна Предюлагая механизм выпрямления прежним, найдем эволюцию А Щ^^ЪО времени.Таким образом, если не учитывать возвраты по круговой ор)ите (*,) , устойчивыми будут лишь те состояния,в которых / I неустойчивы и экспериментально не [аблюдаются.Оценим частоту незатухающих и ненарастающих колебаний.Частота w/Д,// колебаний лежала в пределах li-lO кГц и зависела от предыстории образца, температуры гелиевой ванны и ориентации кристаллографических осей относительно высокочастотного и постоянного магнитных полей. Введение слабого магнитного поля подавляло колебания, и это иллюстрирует фотография с экрана осциллографа (рис, 16). При больших амплитудах f/, наблюдаюсь колебания магнитного момента не только в нулевом внешнем юле Hot но и в области боковой, удаленной от точки Но =0 гисгерезисной петли.Колебания были немонохроматичны. Пример записи спектральюй плотности колебаний в.нулевом внешнем поле приведен на рис, [7. Как видно из рисунка, при увеличении /// частоты колебаний зозрастают. Такое поведение было характерно для всех образцов, 1ри произвольной ориентации кристаллографических осей образца )тносительно высокочастотного тока, но такой, что колебания сучествуют, на записи спектральной плотности существовало нескольсо (три-четыре) максимумов.Ддя экспериментальной проверки этого предположения был обран мост переменного тока, с помощью которого можно было иследовать поверхностный импеданс образца на частотах и) , когда 3 образец одновременно воздействзют два электромагнитных поля частотами ^, и и; , Схема экспериментальной установки вместе с эстом приведена на рис, 18. Как видно из рис. 18, измерительная - 66 шират вч т (rcu,iu..1дя симметрии моста точно такая же индуктивность была поставлеla между точками А и Обе катушки индуктивности были намотаны la одинаковых пластмассовых каркасах и не имели сердечников.Активные сопротивления N | и ^а могли изменяться в интервале )0*115 ом. В эксперименте они были примерно одинаковы и равны ;I0 ом. Индуктивность измерительной катушки вместе с образцом )ыла порядка 10 ^Ги , а ее активное сопротивление постоянному юку по порядку величины равнялось 0,1 Ом. Следует отметить, что 1ТИ параметры измерялись, когда катушка находилась в/жидком геши (в измеренные индуктивность и активное сопротивление катуш:и входят индуктивность и активное сопротивление коаксиального звода в криостат). Амплитуда переменных полей действующих на )бразец определялась так же, как и при наблюдении колебаний магштного момента. Переменный ток на частоте ои можно было вычисшть, зная ^, , ^/ и напряжение на вершине моста, то есть в 'очке А. Сопротивление Дьи индуктивность //.были самодельные. Со[ротивление ^и плавно изменялось в пределах 0,1-ь1,3 Ом, В него 1Ходили дискретное сопротивление на десять положений через 0,1 )м и сопротивление плавно изменяющееся в интервале O-f-0,3 Ом. [еременная индуктивность L ^ представляла собой несколько вит:ов толстой латунной проволоки в изоляции, намотанных на бумажий каркас. Внутри каркаса мог с трением двигаться ферритовый юрдечник. Переменные ^^ и L ^ служили для окончательной балан- 68 зировки моста.Экран анализатора частотных характеристик использовался ак для визуального наблюдения появления особенностей поверхостного импеданса при увеличении п,, так и для сравнения часОТ cv, где возникают колебания магнитного момента образца, с астотами, где возникают особенности поверхностного импеданса. - 70 Одя этого выход широкополосного усилителя, усиливавшего разбаланс моста, подключался ко входу анализатора тумблером, изображенным на рисунке. Момент возникновения колебаний {п,'^1\) регастрировался визуально по экрану осциллографа. Как и прежде, лагнитное поле земли компенсировалось.
