Магнітне фокусування електронів у металах

електромагнітне явище

Магнітне фокусування [1] — концентрація потоку електронів провідності (квазічастинок) з одного точкового контакту в інший за допомогою магнітного поля. Електрони в металах можна розглядати як квазічастинки, що вільно рухаються в кристалі, подібно до вільних електронів. Значить на їх рух має впливати зовнішнє магнітне поле за аналогією з пучками заряджених частинок у вакуумі [2]. Фокусування електронів у чистих матеріалах (монокристалах), де їх довжина вільного пробігу менш або порівнюється з відстанню між контактами, дозволяє досліджувати розсіювання локалізованих в одній точці поверхні Фермі групи квазічастинок[3] .

Якісне пояснення ред.

Повздовжне фокусування ред.

Можливість магнітного фокусування у твердому тілі запропонував Ю. В. Шарвін у 1965[4] і пізніше спостерігав поздовжнє (магнітне поле паралельно лінії, що з'єднує контакти) електронне фокусування в тонкій металевій плівці спільно з Л. М. Фішером[5]. У їхньому експерименті два мікроконтакти емітер і колектор розташовувалися навпроти один одного на різних сторонах тонкої металевої плівки (Рис.1) [6].

 
Рис.1. Схема спостереження повздовжного фокусування електронів [5].

При повздовжному фокусуванні величина магнітного поля Н, при якому електрони, що вилітають з емітера  , фокусуються на колекторі  , визначається з умов кратності періоду   руху з контакту на контакт,  , де   — відстань між контактами (товщина пластини),  ,   — циклотронна частота,  - циклотронна маса,   — складова скорости електрона вздовж магнітного поля,   .

На колекторі фокусується максимальна кількість електронів при екстремальних значеннях їх зсуву вздовж магнітного поля за період,   , де   - перетин поверхні Фермі площиною постійного значення імпульсу електрона вздовж магнітного поля   . Відповідно, особливості на залежності потенціалу   на колекторі від магнітного поля виникають в особливих точках функції  , для яких  . Крім того, кількість електронів, що фокусуються, максимально для граничних значень  , що відповідають еліптичним точкам екстремуму на поверхні Фермі, в яких  , а   , де   - гаусова кривина.

Поперечне фокусування ред.

Електронний транспорт у поперечному магнітному полі вперше розглянув Браян Піппард 1965[7] . Однак його метод не використав точкових контактів. Сучасна реалізація магнітного фокусування електронів у металі з двома мікроконтактами була запропонована Цоєм у 1974[8] . У геометрії експериментів В. С. Цоя з поперечного магнітного фокусування два точкових контакти розташовуються на одній поверхні металу, а магнітне поле було паралельним поверхні та направлено перпендикулярно лінії, що з'єднує контакти (Рис. 2).

 
Рис.2. Схема спостереження поперечного фокусування електронів [8].

При поперечному фокусуванні електрони, що інжектуються емітером  , фокусуються на колекторі  , якщо на відстані між контактами   міститься ціле число хорд сегментів траєкторій електронів   , що «стрибають» вздовж поверхні,  , а дрейф орбіти вздовж магнітного поля відсутній,  , де   ,  - хорда поверхні Фермі у напрямку нормалі до границі.

Кількість електронів, що потрапляють у колектор, є максимальним, якщо умови поперечного фокусування виконані для носіїв заряду, що відповідають екстремальному діаметру поверхні Фермі  , для якого    .

Примітки ред.

  1. англ. transverce electron focusing, magnetic focusing
  2. Колесниченко, 1992, с. 1059.
  3. Божко, С. И. Фокусировка электронов поперечным магнитным полем // Письма в ЖЭТФ. — 2014. — Т. 99 (3 червня). — С. 558—567.
  4. Шарвин, Ю. В. Об одном возможном методе исследования поверхности Ферми // Журн. эксп. и теор. физ.. — 1965. — Т. 48 (3 червня). — С. 984—985.
  5. а б Шарвин, Ю. В; Фишер, Л. М. Наблюдение фокусированных пучков электронов в металле // Письма в ЖЭТФ. — 1965. — Т. 1 (3 червня). — С. 54—57.
  6. Колесниченко, 1992, с. 1060.
  7. Hawkins, F. M.; Pippard, A. B. The H-function and its application to a problem in semi-circular electron focusing in metals // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1965. — Т. 61 (3 червня). — С. 433—443. — DOI:10.1017/S030500410000400X.
  8. а б Цой, В. С. Фокусировка электронов в металле поперечным магнитным полем // Письма в ЖЭТФ. — 1974. — Т. 19 (3 червня). — С. 114—116.

Література ред.