Электромагнитные волны в металлах с квазилокальными состояниями электронов Шурдук, Андрей Иванович

Введение к работе

Актуальность темы и степень исследования-тематики диссертации. Примесные атомы в металлах играют двоякую "роль Q[, Z\. С-одной стороны, ограничивая свободный пробег носителей тока, они определяют низкотемпературное поведение кинетических коэффициентов, затухание разнообразных волн, распространяющихся в образце, и другие эффекты. С другой стороны, примеси формируют определенные участки энергетического спектра системы, приводя, в частности,-к появлению локальных и квазилокальных состояний. Такие состояния могут служить причиной существования новых ветвей спектра электромагнитных возбуждений металла. Это показано на примере так называемых ма- ' гнитопримесных состояний [3-7]. Дело в том, что в квантующем магнитном поле благодаря квазиодномерному характеру движения частицы связанные и квазисвязанные состояния возникают при любой величине примесного потенциала притяжения [з,ч\. Такие примесные состояния электронов на донорах.и дырок на акцепторах, обусловленные совместным действием на частицу примеси притяжения и магнитного поля, называются магнитопримесными [5-7]. Вблизи частот резонансных переходов электронов между магнитопримесными уровнями и уровнями Ландау существуют новые ветви спектра электромагнитных волн, названные магнитопримесными волнами (]. Волны такого типа должны существовать и в случае собственных квазилокальных состояний электронов, не связанных с магнитным полем [2].

В отсутствие магнитного поля не любая примесь в проводнике, притягивающая электроны, способна образовать локальные и квазилокальные состояния. Чтобы такие состояния появились,

потенциальная яма, в которую попадает электрон у примеси,должна быть достаточно глубокое и широкой. Другими словами, требуется, чтобы глубина ямы превышала неопределенность энергии частицы ^р]. Если это условие не выполняется, связанное состояние не образуется. Происходит лишь потенциальное рассеяние электронов примесными атомами, сопровождающееся незначительным сдвигом фазы их волновых функций \9~\. Квазилокальные состояния соответствуют резонансам в рассеянии электронов примесными атомами. Эти состояния должны оказывать заметное влияние на различные свойства твердых тел (термодина-, мические, кинетические, высокочастотные, акустические и др.). Обычно при вычислении характеристик различных коллективных возбуждений в проводниках столкновения электронов с примесными атомами учитываются введением феноменологической константы ^ - частоты столкновений. Рассчитывая эту частоту, обычно пренебрегают резонансным рассеянием электронов примесными атомами, т.е. ограничиваются учетом лишь потенциального рассеяния. Тогда "? = 43fa^lvffti , где "& - скорость электрона, Я- - длина рассеяния, Л-; - концентрация примесей. Между тем, резонансное рассеяние электронов примесным центром, проявляющееся в виде бреит-вигнеровских пиков на сечении рассеяния и частоте столкновении, приводит"к возникновению особенностей в динамической проводимости металла. Если проводник помещен в квантующее магнитное поле, динамическая проводимость имеет корневые особенности на частотах резонансных переходов электронов между примесными уровнями и уровнями Ландау. Эти особенности обусловливают формирование новых ветвей спектра электромагнитных возбуждений металла. В металле могут распространяться волны нового типа, которые в чистых

образцах не существуют. Физической причиной существования таких волн является локализация электронов изолированными примесными атомами, приводящая к ослаблению диссипативных процессов. Предсказание таких волн, исследование их свойств и разработка методов их обнаружения - актуальная задача физики твердого тела.

Цель работы и основные задачи исследования. Квазилокальные состояния электронов оказывают заметное влияние на различные свойства твердых тел. В некоторых случаях они являются причиной существования новых физических эффектов, отсутствующих в проводниках без квазилокальных состояний. Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы теоретически исследовать влияние этих состояний на высокочастотные свойства проводников в режиме металлической проводимости. Для достижения поставленной цели необходимо теоретически исследовать особенности распространения электромагнитных волн в немагнитных проводниках с кваэилокальвыми состояниями электронов,найти еще не известные проявления квазилокальных состояний,предсказать новые эффекты, разработать новые методы диагностики этих состояний, объяснить некоторые экспериментальные факты.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований получен ряд новых научных результатов:

вычислены компоненты тензора динамической проводимости металлов с квадратичным изотропным и анизотропным спектром носителей при наличии квазилокальных .состояний и квантующего магнитного поля. Обнаружены резонансные максимумы проводимости, связанные с переходами электронов между квазилокальным уровнем и уровнями Ландау;

предсказан новый тип волн в проводниках с квазилокальными

состояниями электронов в квантующем магнитном поле. Эти волны слабо затухают в полосах прозрачности вблизи частот резонансных переходов электронов между квазилокальным уровнем и уровнями Ландау. К ним относятся антигеликоны, циклотронные волны, распространение которых в проводниках без квазилокальных состояний невозможно. Найдены характеристики этих волн (поляризация, скорость, спектр, затухание) для квадратичного изотропного и анизотропного законов дисперсии электронов. Исследовано распространение этих волн под углом к магнитному полю;

рассмотрено влияние квазилокальных состояний электронов на поперечные магнитоплазменные волны (альфвеновскую и спиральные) в компенсированных металлах. В их спектре обнаружена запрещенная область частот - квазищель, отсутствующая в проводниках без квазилокальных состояний. Найдены спектр и декремент затухания этих волн для анизотропного закона дисперсии носителей;

предсказано резонансное связывание электромагнитных волн с круговой поляризацией "плюс" (антигеликонов) со звуком в металлах с квазилокальными состояниями электронов. Получено условие резонанса. Найдены характеристики связанных волн -спектр, декремент затухания, скорость;

вычислен поверхностный импеданс.и найдено распределение поля в металла,с квазилокальными состояниями. Обнаружены новые резонансы импеданса, расположенные на предельных частотах в спектре электромагнитных волн, распространявщихся в металлах с квазилокальными состояниями электронов;

исследовано влияние квазилокальных состояний электронов на продольные магнитоплазменные волны, рапространяющиеся перпен-

дикулярно магнитному полю. Вблизи частот резонансных переходов электронов между квазилокальными уровнями и уровнями Ландау обнаружены новые ветви спектра плазмонов. Вычислены спектр и затухание этих волн;

- вычислено сечение неупругого рассеяния света на продольных магнитоплазмеиных волнах нового типа.

Теоретическая и практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертации, дают вклад в теорию распространения электромагнитных колебаний в металлах с квазилокальными состояниями электронов. Практическое значение работы определяется возможность!) использования развитых в ней представлений о новом типе электромагнитных волн, распространяющихся в легированных металлах, полуметаллах и полупроводниках, при разработке принципов создания материалов с заданными свойствами, новых устройств и приборов.

На заци.у выносятся следующие положения:

1. Расчет тенсора динамической проводимости металлов с квадратичным изотропным и анизотропным спектром носителей при наличии квазилокальных состояний и квантующего магнитного поля.

2. Результаты теоретических исследований распространения электромагнитных волн в проводниках с квазилока*:ьными состояниями электронов. Предсказание нового типа волн, слабозатухающих в полосах прозрачности вблизи частот резонансных переходов электронов между квазилокальным уровнем и уровнями Ландау, распространение которых в проводниках без таких состояний невозможно. Расчет характеристик этих волн : поляризации, скорости, спектра, декремента затухания.

3. Результаты теоретических исследований влияния квазило-

кальных состояний электронов на распространение поперечных магнитоплазмеиных (альфвеновскую -и быструю магнитозвуковую) и спиральных магнитоплазмеиных волн в компенсированных металлах, позволившие обнаружить в их спектре область запрещенных частот - квазищель. Расчет спектра и декремента затухания новых ветвей магнитоплазмеиных волн, а также ширины квазищели.

4. Предсказание резонансного связывания антигеликонов со звуком в металлах с квазилокальными состояниями электронов. Получение условия такого резонанса. Расчет характеристик связанных волн - спектра, декремента затухания, скорости.

5. Вычисление поверхностного импеданса и распределения поля в металле с квазилокальными состояниями, позволившее обнаружить новые резонансы импеданса на,предельных частотах в спектре электромагнитных волн нового типа.

6. Результаты теоретических исследований влияния квазилокальных состояний на продольные магнитоплазмеиные волны, распространяющиеся перпендикулярно магнитному поле. Обнаружение новых ветвей спектра плазмонов вблизи частот резонансных переходов электронов между квазилокальным уровнем и уровнями Ландау. Расчет спектра и затухания этих волн, а также сечения неупругого рассеяния света на магнитоплазменных волнах нового типа.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.

Личный вклад соискателя. Среди материалов, которые выносятся на защиту, лично соискатели принадлежат следующие - исследование влияния локализованных состояний в электронном " спектре на распространение поперечных магнитоплазменных волн' в компенсированных металлах. Обнаружение в спектре этих волн

запрещенной области частот - квазищели. Предсказание резонансного связывания и взаимной трансформации антигеликонов со звуком в металлах с квазилокальными состояниями электронов. Получение условия такого резонанса. Расчет характеристик связанных волн. Обнаружение новых резонансов поверхностного импеданса металлов с квазилокальными состояниями электронов на предельных частотах в спектре поперечных магнитоплазменных волн.

Апробация работы. Материалы диссертации'докладывались и обсуждались на: I Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов физиков, Екатеринбург, 1992; конференции физического факультета ХГ7 "Физические явления в твердых телах", Харьков, 1993; УІ научном семинаре ЗШ, Донецк, 1993; Юбилейной научной конференции, посвященной 40-летив физического факультета Львовского госуниверситета, Львов, 1993; конференции физического факультета ХГУ "Применение персональных компьютеров в научных-исследованиях и учебном процессе",Харьков, 1994; Всеукраїнській конференції "Сучасні фізико-матема-тичні дослідження молодих науковців вузів України", Киев, 1994; конференции физического факультета ХГУ "Теория конденсированного состояния" (к 50-летию кафедры теоретической физики), Харьков, 1994; 1пъ.чца±1опа1 Соп.{е.їллсх. _я Physics in Мыске * Miv^iasb j EPS 9, Яіані*. (IUty) , 993 .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 95 страниц машинописного текста, включая 4 рисунка и библиографию из 107 наименований.