Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор моделей взаимодействия электронов с решеткой 9
1. Объемные силы, создаваемые электронами проводи мости в металлах 10
2. Альтернативная теория 17
3. Нелокальный режим ЭМВ звука в металлах 18
4. Поверхность Ферми вольфрама 23
2. Техника и методика эксперимента 25
1. Образцы и преобразователи 25
2. "Гибридное" низкотемпературное (НТ) устройство 31
3. Расчет согласующего устройства 40
4. Методика эксперимента и "гибридный" спектрометр 45
3. Теория ЭМВ звука в пластине металла в нормальном магнитном поле 56
4. Нелокальный режим трансформации 66
1. Преобразование электромагнитных и акустических волн при Н = 0 67
2. Преобразование волн в средних магнитных полях 78
3. Малые магнитные поля 86
5. Локальный режим трансформации.Эффект "отклонения". 104
1. Большие магнитные поля 104
2. Эффект "отклонения" в условиях пространственной дисперсии 111
6. Поляризационные эффекты трансформации 117
1. Инверсия магнитного поля 119
2. Эллиптичность и длина затухания доплеронов. Поляризационные диаграммы трансформации 131
Заключение 141
- Альтернативная теория
- Расчет согласующего устройства
- Преобразование волн в средних магнитных полях
- Эффект "отклонения" в условиях пространственной дисперсии
Введение к работе
Центральной задачей физики твердого тела является изучение элементарных возбуждений в твердых телах. К классу таких возбуждений относятся коллективные электромагнитные (э/м) моды, распространяющиеся в металлах и полупроводниках в присутствии магнитного поля, фононы - кванты колебаний решетки, электроны проводимости. Поскольку носители заряда в проводниках есть незамкнутая система относительно решетки и э/м полей, то возможен резонансный режим связывания коллективных мод с акустическими колебаниями решетки. Незамкнутость системы носителей заряда приводит и к электромагнитной генерации акустической волны. В этом режиме в металле распространяется акустическая волна, возбужденная внешним э/м полем (э/м возбуждение - ЭМВ). Возможен и обратный процесс - когда акустическое возбуждение э/м волны позволяет создать в объеме металла э/м поля значительной интенсивности, существование которых на значительных расстояниях от поверхности металла обусловлено преобразованием (трансформацией) акустической волны в электромагнитную (электромагнитное детектирование звука - ЭМД).
Проблема трансформации волн представляет собой общефизический интерес и актуальна в таких областях физики, как астрофизика, физика плазмы и т.д.
Интересные явления при изучении трансформации волн возникают при низких температурах и высоких частотах внешнего возмущающего поля, когда электроны проводимости за время пробега между столкновениями проявляют свои динамические свойства.
При воздействии на металл внешнего возмущающего поля частотой СО на длине свободного пробега электрон испытывает переменное в пространстве (пространственная дисперсия) и во времени
(временная дисперсия) возмущение. Мерой пространственной дисперсии (в отсутствие магнитного поля) являются величины Къ ъд-С . Здесь К - волновой вектор э/м или акустической волны, о - глубина скин-слоя, которая описывает распределение э/м поля вглубь металла, Ту—ІГр^С- длина свободного пробега электронов, 07 и Of - их время релаксации и скорость на поверхности Ферми (ПФ). Мера временной дисперсии определяется величиной СО С .
Экспериментальные и теоретические исследования взаимного
преобразования волн в нелокальном пределе (сильной пространст
венной дисперсии), когда Kb » I и » I, представляют
особый интерес, поскольку в этих условиях возможно одновремен
ное проявление различных э/м и магнитоакустических эффектов.На
личие пространственной дисперсии приводит к нелокальной связи
между током в металле и э/м полем, между смещением решетки и
вынуждающей силой. Вследствие этого затухание звука обусловли
вается резонансным взаимодействием определенной группы электро
нов на ПФ со звуком (затухание Ландау [ij ), коэффициент погло
щения звука , где S - скорость звука, так
KaKK^=/<&^-fc/^CO^>>u)T(&/S>>4 то временная дис
персия не играет существенной роли я'. Параметры пространствен
ной дисперсии определяют и амплитуду ЭМВ. Так, если внешнего
постоянного магнитного поля нет, для однородного металла и зер
кального отражения электронов от поверхности, при/<ъ>> I, ам
плитуда ЭМВ отлична от нуля, при выполнении обратного неравен
ства - амплитуда ЭМВ близка к нулю (см.главу 4). Изучение в
этом пределе проявления различных эффектов в режиме трансфор-
х) Следует отметить, однако, что в последнее время предсказан ряд эффектов, которые в нелокальном пределе чувствительны к параметруG) L (см., например, I 3,107J ).
5 мадии дает обширную информацию как об энергетических характеристиках квазичастиц, так и о спектре и диссипативных свойствах коллективных э/м мод электронно-дырочной плазмы металла.
Расширение экспериментальных исследований трансформации в металлах на область гиперзвуковых частот даст возможность изучить различные физические явления, требующие выполнения условия С0СГ>1 ибО^Г» I (для нормальных металлов при гелиевых температурах Я? 10~9сек). С другой стороны, по-видимому, позволит решить практическую проблему возбуждения и регистрации гиперзвука в металлах, поскольку эффективность преобразования стандартных пьезопреобразователей падает с повышением частоты. Последнее обстоятельство, в частности, связано с падением эффективности акустического контента.
Неоспоримое преимущество бесконтактный метод возбуждения и регистрации звука имеет в исследованиях поляризационных явлений, так как позволяет в условиях одного опыта изменять поляризацию возбуждаемого или регистрируемого звука (см.главу 6). Отметим особо, что такие исследования поляризационных эффектов трансформации позволяют получить дополнительную уникальную информацию о механизмах трансформации, характеристиках э/м и маг-нитоакустических возбуждений. Такие исследования важны и с точки зрения практического применения их результатов при создании различных устройств акустоэлектроники, средств бесконтактного контроля и передачи информации.
Таким образом, все вышеперечисленные факторы определяют важность исследований нелокальной трансформации э/м и акустических волн как с точки зрения решения фундаментальных, так и прикладных проблем. Этим определяется актуальность темы диссертации.
Объектом исследований настоящей работы является вольфрам. Выбор этого металла обусловлен следующими обстоятельствами. Из-за
сложности закона дисперсии квазичастиц вольфрама в нем обнаружены разнообразные магнитоакустические эффекты в нормальном к поверхности образца магнитном поле, С другой стороны, систематическое изучение полевой зависимости трансформации в нелокальном пределе (частоты порядка десятков мегагерц) было проведено только в щелочном металле и алюминии. В связи с этим возникла задача расширения исследований трансформации в нелокальном режиме на металлы с более сложной структурой и обнаружения как универсальных для всех металлов свойств трансформации, так и особенностей трансформации конкретных металлов. Решение этой задачи обусловило широкое применение в диссертационной работе математического аппарата, позволившего из общего решения получить частные решения задачи о трансформации для различных предельных случаев и соотношений параметров металла, провести качественное сравнение результатов теории для общей модели компенсированного металла с данными экспериментов, выполненных в вольфраме.
Основная цель данной работы состояла в обнаружении и идентификации резонансной трансформации э/м волна - звук, исследовании полевой зависимости трансформации, обнаружении и изучении поляризационных эффектов режима трансформации, продвижении эксперимента в область более высоких частот преобразования для толстых образцов, когда б/»Лз5, где d - толщина образца, длина волны звука. Извлечение в связи с этими исследованиями информации о механизмах трансформации, ее общих закономерностях.
Содержанием работы является:
а) разработка высокочастотного варианта гибридной методики
измерений трансформации,
б) разработка методики поляризационных измерений трансформа
ции,
в) экспериментальное исследование характера полевых зависи
мостей электрической и магнитной компонент генерируемого звука,
г) расчет по экспериментальным данным и восстановление поле
вой зависимости поляризационных эффектов,
д) разработка методики измерений и расчет длины затухания
доплеронов,
е) экспериментальное определение фермиевских скоростей элек
тронов в вольфраме в условии эффекта "отклонения" в малых маг
нитных полях.
Основные результаты данных исследований состоят в следующем.
Предложен высокочастотный вариант гибридной методики наблюдения прямой трансформации э/м волна - звук.
Предложена методика прямых поляризационных измерений трансформации.
В нелокальном пределе впервые обнаружена и идентифицирована прямая взаимная трансформация э/м волна - звук в условиях доплер-сдвинутого циклотронного и доплерон-фононного резонансов в вольфраме.
Экспериментально показано, что трансформация обусловлена одновременным действием индукционных и деформационных сил взаимодействия электронов с решеткой.
Обнаружены и объяснены эффекты монотонного и резонансного поворота плоскости поляризации генерируемой акустической волны и эллиптичность.
Определена длина затухания Сг -доплерона в Vv
В локальном пределе в w обнаружен и объяснен пространственный резонанс, приводящий к максимуму амплитуды эффекта ЭМВ.
Получены рекордно высокие частоты трансформации для толстых образцов.
Обнаружен эффект "отклонения" в электрон-фононном взаимо-
действии в слабом магнитном поле.
Эти результаты получены впервые и выносятся на защиту.
Экспериментальное обнаружение преобразования волн в нормальном к поверхности образца магнитном поле инициировало построение теории трансформации для пластины металла с произвольным законом дисперсии квазичастиц, а большинство результатов, составляющих основу диссертации, могут быть использованы при изучении механизмов трансформации в различных металлах и служат' основой для дальнейших исследований взаимного высокочастотного преобразования э/м волна - звук.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по физике низких температур ( Кишинев, 1982), Всесоюзной конференции по квантовой акустике и акусто-электронике (Саратов, 1983), Всесоюзных семинарах по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1981, 1983) и опубликованы в работах [б5, 71, 79, 96, 95, 60, Юо].
Альтернативная теория
В зарубежной литературе [ 23-29] принят несколько иной подход при рассмотрении сил взаимодействия электронов проводимости с решеткой. Вместо последовательного микроскопического нахождения сил Il8,20j вводятся силы "прямого" взаимодействия ионов с внешними полями, силы "дрейфовых столкновений" электронов с ионами и силы "реакции решетки - Брэгга"; последние обусловлены зонной структурой металла. Такое рассмотрение позволяет физически наглядно описать процессы ЭМВ, однако введение этих сил представляется несколько искусственным. Как следствие этого, имеются расхождения в выражениях для сил в отечественной и зарубежной литературе. Анализу этого расхождения посвящены работы [ 29,30. В J30J показано, что силы в уравнении колебаний решетки (1.22) и в работах [23-26J идентичны только для случая свободных электронов. По мнению авторов [30J, в работах (см., например, 26,27J ) не точно проведено рассмотрение эффекта "дрейфовых столкновений" с решеткой и отсутствуют эффекты деформационного взаимодействия. Авторами недавней работы [29 J признана необходимость введения эффектов деформационного взаимодействия. Детальная библиография по ЭМВ звука в металлах дана в обзоре Гзі]. Остановимся лишь на основных результатах исследований нелокального режима трансформации. Первые экспериментальные исследования феномена ЭМВ звука относятся к 1966-1967 г.г. Авторы [32J наблюдали преобразование э/м и звуковых волн в висмуте, а в работе { 33J - в алюминии. Нелокальный режим преобразования наблюдался впервые в вольфраме, позже в алюминии и серебре 34J в отсутствие постоянного магнитного поля. В этом случае ь 0 и "столкновительная" сила ускоренных в скин-слое электронов пространственно отделена от сил прямого воздействия поля скин-слоя на ионы решетки; эта локальная разбалансировка приводит к возбуждению поперечных акустических колебаний [39# Дальнейшие работы были направлены на изучение зависимости амплитуду ЭМВ звука от величины внешнего постоянного магнитного поля Н (35-38J. Исследовался в основном щелочной металл - калий, поскольку щелочные металлы являются наиболее удобным объектом с точки зрения сравнения теории и эксперимента и интерпретация результатов не осложняется эффектами анизотропии.
Эти достоинства щелочных металлов должны компенсировать их недостаток - технологическую сложность проведения экспериментов с щелочными металлами. При исследованиях ЭМВ звука вдалий L36-38J было обнаружено, что в постоянном магнитном поле Н » нормальном к поверхности, возбуждается поперечная звуковая волна с амплитудой Ы Будем различать две компоненты смещения решетки. Смещение решетки в звуковой волне параллельно электрическому полю возбуждающей э/м волны -Иіґ и перпендикулярно ей - Uі не В сильном магнитном поле, когда пространственная дисперсия играет роли и (л - циклотронный радиус орбиты электрона), амплитуда (Ах линейно возрастала с увеличением магнитного поля. В слабых полях при А. 1 картина усложнялась. Компонента LAi нелинейно зависела от Н компонента при увеличении Н испытывала монотонное уменьшение І36-38]. Хорошее согласование теории в модели свободных электронов [23-24] и экспериментов 36-38J получено в больших полях КК«І, Существенное различие между экспериментальными результатами и моделью свободных электронов получено в области магнитных полей, соответствующих краю поглощения Келдааса - = І. Для 6 2 эксперимент давал сильную немонотонность полевой зависимости, в то время как теория свободных электронов для зеркального отражения от поверхности предсказывала для Li 1 лишь небольшое отклонение от линейности из-за эффектов нелокальности (см., например, рис Л [ 37 ). Амплитуда (л ц для П = 0 отличалась от предсказанной теорией в основном в два раза (для л, УІ } JIZ ). Этот экспериментальный факт позволил авторам 37І сделать вывод о том,что расхождение теории свободных электронов и эксперимента не связано с деталями электронной зонной структуры, во всяком случае для /7 =0. Более прецизионные эксперименты в Г38J дали аналогичные результаты. Авторам І38І не удалось, используя один подгоночный параметр - л, , обеспечить согласование теории [23,24] и эксперимента. Теория 25 , где рассматривалась модель трех механизмов взаимодействия электронов с решеткой (см. 2), давала аномальное поведение амплитуды ЭМВ в калии, когда 17?0/17} ы 2. , но для калия эта величина, согласно (401, есть/7?0//Л = 0,83. Адекватным образом объяснить немонотонность Ні в калии удалось авторам [41,971. Была использована модель деформационного и индукционного механизмов трансформации,предполагалось зеркальное отражение электронов на поверхности. Особенности трансформации были объяснены немонотонной зависимостью деформационной силы от магнитного поля, а также конкуренцией индукционного и деформационного механизмов трансформации э/м волны в звуке. Расчет теории хорошо согласовывался с экспериментами 37J для / -С = Ю. Тем не менее, экспериментальное значение было К і = = 1,9±0,2 на частоте 9,4 МГц. Авторами [37 J эта величина бралась из измерений затухания звука. Отметим, что измеренная величина затухания звука в нулевом поле 2,5dВ/см была в хорошем согласии с расчетной - 2,6dВ/см щмОд/й&ї = 9,4 МГц. Расчет теории [ 97J также согласовывался с этим экспериментом, но с существенно отличным от экспериментального коэффициентом затухания звука.Ав-торы [41J пришли к выводу, что расхождение с экспериментом связано с незеркальным характером отражения электронов от поверхности образца. Диффузность отражения, в дополнение к объемным силам, приводит к возникновению поверхностных сил, ведущих к вкладу в возбуждение акустических колебаний [39,42,43. Поверхностная сила есть результат передачи импульса электронов поверхности при их диффузном отражении. Расчет полевых зависимостей амплитуды ЭМВ звука с учетом диффузности отражения I 27-29 для калия также не дал количественного совпадения с экспериментом. В [28-29J не было проведено детальное сравнение теории с экспериментом. Следует отметить, что механизм рассеяния носителей на поверхности (зеркальность или диффузность) не влияет существенно на эффективность конверсии э/м и акустической энергии в отсутствие магнитного поля.
Присутствие постоянного магнитного поля может давать существенное отличие в полевых зависимостях для зеркального и диффузного отражения [27,29 . Разногласия теории и эксперимента, возникшие при объяснении акустической генерации в области полей Кг\ 1 для калия,представляют принципиальный интерес, так как в теориях 41,97J использовано точное для зеркального рассеяния решение задачи, и инициируют два альтернативных вывода: усложнение теории или, как это сделано авторами [26-29], предположение о том, что ПФ калия отнюдь не есть с 1% точностью сфера, а представляет собой объект с более сложной топологией ПФ. Как полагают авторы І25І» эта гипотеза имеет экспериментальные основания. 6 рамках этой гипотезы на основе имеющейся теории необходимо лишь учесть конкретную топологию ПФ, Примером такого учета является работа І26І, где предложена "динамическая модель двух носителей", позволившая объяснить экспериментальные результаты ЭМВ звука вТ1ъ лд. В заключение отметим, что модель индукционных и деформационных сил UlJ позволяет получить качественное согласие теории и эксперимента в калии. По-видимому, количественного согласования ожидать нельзя. Это связано с двумя причинами. Щелочной металл, как нам кажется, не совсем удобный объект исследований из-за экспериментальных сложностей, возникающих при работе с ним. К примеру, из-за высокой химической активности поверхность металла покрывается пленкой окисла, для тонких и мягких образцов неминуемо "просачивание" ВЧ мощности в приемный тракт, случайные деформации приводят к локальному изменению длины свободного пробега и т.д. Вторая причина состоит в том, что в настоящее время не существует достаточно последовательной теории трансформации в нормальном к поверхности магнитном поле, которая учитывала бы диф-фузность отражения электронов от поверхности. Остается неясным следующее. Являются ли немонотонности в полевой зависимости ЭМВ звука универсальным свойством всех металлов? Каков относительный вклад различных механизмов трансформа- ции в зависимости от магнитного поля?
Расчет согласующего устройства
Рассчитаем согласующее устройство для некоторой комплексной нагрузки с коаксиальной линией передачи. Для согласования используем переменную емкость связи О , которая может включаться на различном расстоянии от нагрузки. Электрическая схема согласующего устройства приведена на рис.12. Хорошо известно, что сопротивление длинной линии равно Известны основные методики исследования преобразования э/м и акустических волн 31 : методика "двойной" трансформации и "гибридная" методика. Эти методики эффективны и нашли свое применение при решении различных экспериментальных задач, в различном частотном интервале. В низкочастотной области, когда Од /z &Т 1$ Гц, наиболее эффективна методика "двойной" трансформации, когда возбуждается и регистрируется акустическая волна электромагнитным контуром. Преимущество этой методики на низких частотах очевидно, так как затухание звука в этой области относительно невелико, а поверхность металла свободна от напряжений, которые обычно вызваны контактом с преобразователем. Последнее обстоятельство является выигрышным при работе с мягкими металлами,В такой методике, как правило, измеряются особенности поверхностного импеданса металла, обусловленные возбуждением в металле акустических волн. В высокочастотной области исследований, когдаCO/25f Кг Гц, имеет преимущества "гибридная" методика (см.рис.7). В области высоких частот в металлах существенно затухание звука. Кроме того, применение "двойного" преобразования, малость амплитуды которого квадратична по коэффициенту трансформации, наряду с большим затуханием звука приводит к требованию высокой чувствительности аппаратуры. Определенные сложности для режима "двойного" преобразования возникают при идентификации полученных зависимостей, поскольку в такой методике работы "подмешиваются" и чисто электромагнитные эффекты, отделение которых от эффектов трансформации требует усложнения методики и аппаратуры. Отметим, что в данной области частот становятся принципиальными поляризационные эффекты преобразования, которых для режима "двойного" преобразования вовсе нет из-за симметричной природы преобразования э/м волна - звук. Все эти факторы указывают на целесообразность в области ВЧ и СВЧ частот вести исследования лишь одного преобразования э/м волны в звук или обратно. С этой целью для изучения трансформации волн в ВЧ и СВЧ диапазоне разработан высокочастотный вариант "гибридной" методики измерений "на проход" (см.рис.7,8).
В этой методике на одной стороне образца вольфрама возбуждался или регистрировался акустический сигнал, на другой - электромагнитный. В первых экспериментах по трансформации была предусмотрена замена э/м коаксиального резонатора пьезопреобразователем, что позволяло изучать поглощение звука. Хорошо известно, что в ультразвуковых спектрометрах используется импульсный и непрерывный методы генерирования колебаний. Положительной стороной импульсной методики является то, что излучаемые и принимаемые импульсы разнесены во времени. Это обстоятельство снижает требования, предъявляемые к экранировке приемного тракта, уменьшает возможность перегрева образца. Однако для исследований прямого преобразования волн в металлах зачастую возникает необходимость в уменьшении толщины образца и увеличении подводимой мощности. Это обусловлено малостью коэффициента трансформации. Отметим, что замена пьезопре-образователя э/м контуром на частотах rv 100 МГц уменьшает регистрируемый сигнал примерно на 3 - 4 порядка. При импульсной методике толщина образца не может быть взята меньше некоторой критической, определяемой минимально допустимой длительностью импульса и скоростью распространения звука в металле, для предотвращения нежелательных интерференционных эффектов отраженных импульсов. Метод непрерывного генерирования обладает тем преимуществом, что позволяет наблюдать даже "двойную" трансформацию на тонких образцах ( cv 0,1 0,5 мм) и частотах 100 МГц. При этом существенно упрощается экспериментальная установка, так как исключается целый ряд узлов, предназначенных для формирования и задержки импульсов. Основной недостаток метода непрерывного генерирования заключается в необходимости тщательной экранировки генератора и приемника, а также акустического и электромагнитного плеч низкотемпературного устройства. Изучение режима трансформации при г! « 0 проводилось в режи мах импульсной и непрерывной генерации, измерение зависимостей трансформации от магнитного поля - в режиме непрерывной генера Блок-схема установки для изучения трансформации при П = О приведена на рис.13 Q . В положении переключателей I измеряется АЧХ системы "на проход". Со "свил"-генератора ХІ-І9 сигнал качающейся частоты поступал на вход широкополосного усилителя УЗ-32 (полоса 0 200 МГц, коэффициент усиления 20 дБ), затем усиленный сигнал мощностью до I вт через согласующее устройство поступал на коаксиальный вход низкотемпературного устройства. Низкотемпературное устройство в этом варианте измерений отличалось от описанного в 2 тем, что трансформатор импеданса был вынесен из охлаждаемого объема и представлял собой "укорачивающую" емкость переменной величины, включенную параллельно коаксиальной линии. Полоса пропускания согласователя была порядка нескольких мегагерц. Сигнал трансформации со второго коаксиального разъема низкотемпературного устройства через согласователь поступал на следящий усилитель Х4-4 (коэффициент усиления 60 дБ), затем на вход "свип"-генератора.
Диапазон качания частоты соответствовал полосе "пропускания" трансформатора импеданса, которая была несколько меньше таковой для пьезопреобразователя.Центр частотной полосы колебаний "свип"-генератора соответствовал частоте 50 МГц. АЧХ режима трансформации приведена в главе 4. В положении переключателей 2 модулятором формировался импульс длительностью 1 2 мксек с ВЧ заполнением частотой 50 МГц. Источником непрерывных ВЧ колебаний служил генератор Г4-7А с дополнительной стабилизацией анодных и накальных цепей. Генератор F5-54 формировал видеоимпульс модулятора ("развязка" модулятора была около 50 дБ). Для увеличения отношения сигнал-шум в приемном тракте применялся малошумяший широкополосный усилитель.Принципиальная электрическая схема усилителя приведена на рис. 14. Входной каскад усилителя выполнен на полевом транзисторе с изолированным затвором типа 2П350Б, чем обеспечивается малый уровень собственных шумов и высокое входное сопротивление усилителя. Второй каскад усилителя выполнен на биполярных транзисторах 2Т355А по схеме эмиттерного повторителя и служит для получения выходного низкоомного сопротивления. Диапазон рабочих частот усилителя - от 0,1 до 150 МГц, неравномерность АЧХ не более -I дБ, коэффициент усиления до 10 дБ. Конструктивно усилитель выполнен на плате печатного монтажа, расположенной в цилиндрическом экране диаметром 20 мм, и через коаксиальный разъем подключен непосредственно к коаксиальному входу низкотемпературного устройства. Сигнал с детектора приемника П5-І регистрировался осциллографом CI-7I. Для расширения полосы пропускания приемного тракта в приемнике П5-І блок УПЧ заменялся широкополосной "линейкой" ПЧ с полосой 4 5 МГц и коэффициентом усиления до 100 дБ. Отметим, что описанная выше блок-схема измерительной установки позволяет проводить измерения трансформации в присутствии магнитного поля, однако она не эффективна и требует существенных усложнений (с целью повышения чувствительности) на более высоких частотах (более 50 МГц). Поэтому для изучения зависимостей трансформации в широком диапазоне магнитных полей и частот был разработан "гибридный" спектрометр, работающий в режиме непрерывной генерации. Блок--схема спектрометра приведена на рис.136. Источником непрерывных электромагнитных колебаний является генератор Г4-7А в диа- пазоне частот 304-160 МГц и генератор ГСС-І2 в диапазоне 160 4- 1000 МГц. Все генераторы имели дополнительную стабилизацию анодных и накальных цепей. Частота генерации контролировалась частотомером ЧЗ-34А.
Преобразование волн в средних магнитных полях
Рассмотрим область магнитных полей, соответствующих условию (4,2), Для этого перепишем формулу (3,19) в виде: Один из резонансных эффектов трансформации, содержащийся в (4,14), состоит в обращении в нуль знаменателя 78 Условия существования слабозатухающей волны в металле имеют вид: и если скорость волны (4.15) в определенном магнитном поле сравнима со скоростью звука, то существует пересечение спектров звуковых колебаний и собственной э/м моды: где Кх) - волновой вектор э/м моды. Если при выполнении условия (4.16) реализуется резонанс фо-нонов с коллективной модой - доплероном, то данный резонанс - Согласно (4.14), при ДШР оба механизма - индукционный и деформационный - могут давать вклад в LlsfH) одного порядка. Для выяснения особенностей ДФР в режиме трансформации перей дем от круговых к ортогональным компонентам генерируемого поля U„HE(0)$ ь/jl Uи. В эксперименте измеряются следующие вели чины: f 9-" Из (4.17) следует, что Щ существует как для компоненты (ли » так иби . Будем полагать, что резонанс существует в поляризации "-". Нерезонансные слагаемые в фигурных скобках (4.17) обусловливают нерезонансный фон трансформации, фаза которого для компонент Li и и Ыі отличается на «У/ Рассмотрим поляризацию "-", в которой существует ДШР. bJC)-)!-!)- величина, пропорциональная фурье-компоненте э/м поля, /_ - нерезонансный коэффициент трансформации. Введем расстройку по магнитному полю вблизи И-Ир , где Ир - поле дар. Таким образом, амплитуда б/_ испытывает резонанс, причем фурье-компонента э/м поля b_(Cjn) имеет резонансный максимум. Поскольку генерируемый в ДШР звук также находится в условиях резонанса, то tocp f-J/Л О dJ испытывает резонансный минимум. Если длина затухания доплерона, толщина пластины и затухание звука таковы, что в резонансе: на полевой зависимости наблюдается резонансный максимум. Отметим, что абсолютная амплитуда резонанса I OjCj Kj) мала в силу малости коэффициента трансформации Л. , амплитуда коэффициента exp (-Jm Cjjd) имеет дополнительную малость в силу малости коэффициента связи доплерона со звуком.
Действительно, согласно [83J дисперсионное уравнение для связанных волн имеет вид: где -коэффициент связи звука с э/м модой. Для\л/ Г Ю при// = 20 кЭ. Если связи нет име-ем не взаимодействующий со звуком доплерон = І45ІЇСОС Qs и звук /С6 = -rj . Малость коэффициента связи позволяет решение биквадратного уравнения в первом приближении по б (4.22) представить в виде: Здесь Cj - волновой вектор звука с учетом связи с доплероном; Кь с - волновой вектор доплерона с учетом связи со звуком. Из (4.23а) непосредственно следует, что поглощение звука в ДШР есть: Форма резонанса в виде (4.24) получена в работе [84]. Т.е. дополнительное поглощение звука в резонансе мало в силу малости Заметим, что формула (4.22) получена в предположении индукционного механизма связи электронов с решеткой. Введение деформационного механизма приводит лишь к перенормировке коэффициента связи о . Как показано в работе _75: где Yz V/ О , СІ - константа деформационного взаимодействия (в обозначениях _75J ). Первые эксперименты по высокочастотной трансформации [79] в полях (4.2) были связаны с непосредственным наблюдением ДФР. ДШР до настоящего времени изучался следующими методами: либо по особенностям коэффициента поглощения звука (см., например, І 74J), либо по изменениям характера доплеронных осцилляции поверхностного импеданса _75J. В обоих случаях форма линии резонанса соответствовала линии поглощения и описывала "уход" энергии из доп-леронной моды в звук [75J или из звуковой моды в доплерон [74. В экспериментах по обнаружению прямого преобразования волн в ДШР 79 была использована методика измерений, представленная на рис.136. Звуковые колебания в образце возбуждались либо принимались двухмодовыми преобразователями LJ -среза ниобата лития, которые имели резонансную частоту поперечных колебаний 50 МГц и продольных - 80 МГц. Была применена модуляция магнитного поля с последующим синхронным детектированием, и записи трансформации проводились в присутствии опорного сигнала. В дальнейшем мы отказались от методики синхронного детектирования, применив мало-шумящие предварительные ВЧ-усилители (см.рис.14). Для разделения механизмов трансформации и исследования поляризационных эффектов полевые зависимости регистрировались при различных взаимных ориентациях плоскости поляризации пьезопре-образователя и электромагнитного контура, поскольку было обнаружено, что форма линии ДФР существенным образом зависела от угла разориентации регистрирующего и возбуждающего линейных элементов. На рис.206,в представлены полевые зависимости трансформации на частоте 55 МГц для UJH) - 206 и U„(H)- 20в. Для сравнения на рис.20а приведена запись коэффициента поглощения звука, когда оси поляризации двух преобразователей параллельны. Зависимость 20а аналогична полученной ранее в работе [82І. Во всех трех случаях наблюдаются особенности принятого сигнала в интервале магнитных полей пы 8 кЭ. Особенность коэффициента поглощения звука (рис.20а) соответствует ДФР, обусловленному нелокальным вкладом в электропроводность электронов из области опорной точки иг - шишки электронного "валета" ПФ вольфрама [82J. В режиме трансформации, как и в поглощении звука, наблюдается резонансная особенность, которая соответствует проявлениюG - № в режиме прямого преобразования волн. Ширина по магнитному полю резонансов (рис.206,в) равна ширине линии поглощения звука.
Для определения поляризации регистрируемых э/м и звуковых мод были проведены измерения на частоте 80 МГц - основной частоте продольных колебаний использовавшихся преобразователей. На этой частоте длина волны продольного звука в вольфраме примерно равна длине волны поперечных звуковых колебаний частотой 53 МГц, т.е. особенности в коэффициенте трансформации или поглощения продольного звука, связанные с длиной акустической волны и не обусловленные при этом поперечной или круговой поляризацией, могли быть обнаружены при тех же значениях магнитного поля, что и на поперечном звуке. Однако резонансных эффектов на частоте 80 МГц продольного звука в интервале полей 6,5 до 9 кЭ зарегистрировано не было. Обнаружено, что формы резонансных кривых ДІР для режима трансформации (рис.20 б,в) не зависели от его направления; другими словами, преобразование доплеронной моды в звуковую идентично преобразованию звука в доплеронную моду. На вставке рис.20, соответствующей случаю 206, приведены экспериментальные записи производной по магнитному полю от прошедшего через образец сигнала. Вставка "а" - возбуждаются и принимаются поперечные звуковые колебания, аналогично записи 20а; вставка "б" - возбуждается э/м контур, а принимается звук; вставка "в" - возбуждается преобразователь и регистрируется электромагнитный сигнал. Отметим, что полная взаимность относительно направления трансформации наблюдалась нами только jmnbij H U n При произвольном угле разориентации поляризаций контура и пьезопреобразователя взаимность нарушалась, что было обусловлено поляризационными эффектами (см.главу 6). Некоторое отличие в положении резонансов в магнитном поле на записях рис.206 и рис.20в связано с поворотом плоскости поляризации генерируемой волны в функции магнитного поля, который подробно рассмотрен в главе 6, и с разной полевой зависимостью нерезонансного фона трансформации, который на рисунках показан штриховыми линиями. Отсутствие дополнительной структуры на форме линии & -Д$Р обусловлено слабой связью доплерона со звуком, поскольку сильная связь приводит к "расталкиванию" спектров и существованию в области резонанса двух гибридных мод. Это обусловливает возникновение дополнительной структуры резонанса из-за интерференции гибридных мод на регистрируемом элементе. Такая картина была обнаружена в экспериментах [j36j по наблюдению геликон-фононного резонанса в калии. Наблюдаемая в данном случае картина резонанса свидетельствует о том, что имеет место приближение слабой связи. В малых магнитных полях (4.3) поведение функции 6/(/7/ определяется особенностями спектра электронов с (J0) и не зависит от того, является ли металл компенсированным или нет.
Эффект "отклонения" в условиях пространственной дисперсии
В этом параграфе изучен эффект "отклонения" в поглощении ультразвука в вольфраме. Необходимость проведения таких экспериментов вызвана двумя причинами: измерением фермиевских скоростей электронов конкретно в вольфраме, что было обусловлено необходимостью проведения оценок коэффициента трансформации и параметров электронного газа вольфрама, и экспериментами по трансформации волн в условиях эффекта "отклонения". Эффект "отклонения" состоит в том, что коэффициент поглощения / и скорость звука S , обусловленные взаимодействием звука с электронами проводимости, резко изменяются как функции угла между направлением распространения звука и вектором магнитного поля Н . Это явление связано со скачкообразным включением бесстолкновительного поглощения ультразвука при угле Фкр, определяемом соотношением в условиях, когда В данном параграфе величина Яї/Q- л есть угол между векторами Cj и г/ До настоящего времени считалось, что эффект "отклонения" существует только в области П , где справедливо неравенство Cj R «1 [І0І-І05І . В данной работе обнаружен и объяснен эффект "отклонения" в поглощении звука в слабых магнитных полях, когда существенна пространственная дисперсия (неоднородность поля деформаций решетки), т.е. Полная система уравнений, описывающая эффект "отклонения", приведена в главе 3, формулы (3.1)-(3.4). Решение этой системы дает дисперсионное уравнение для продольного звука [iOOj: Здесь ...)=з фн/4 / j/V locbOHiq ;рн -- проекция импульса р на вектор /-/ ; суммирование производится по всем группам носителей. Правая часть (5.13) обусловлена силой электрон-фононного взаи модействия, в которой для простоты оставлено только деформацион ное слагаемое. Отметим, что для построения строгой теории необхо димо решение дисперсионного уравнения с учетом полной силы, так как вклад вихревых полей может оказать существенное влияние на затухание и перенормировку скорости звука Гі05І. Коэффициент по глощения описывается функцией В приближении сфе рической ПФ в интервале углов v имеет вид: нения" для любых значений параметра Cj R . Учет конечного времени релаксации носителей и вклада вихревых полей уменьшает максимум, упгаряет и изменяет форму линии мЧУ. Из (5,15) следует, что форма линии Г(Ч) в случаях CjR l и CjR l различна.
Это отличие определяется поведением функции J0 (Ч) . При 9 R 1 » Cfc 1 ; в слабых полях (5.12) она уменьшается от I jioiCjRl в малом интервале углов &К?=Ц-Чкр «(Цк) и при увеличении угла Ч до значений таких, что і sun2 if у функции J0 ( f) появляется осциллирующее слагаемое, описывающее геометрические осцилляции коэффициента поглощения Наличие нескольких групп квазичастиц с различными значениями скорости иР приводит к тому, что на линии /(Ч) наблюдаются несколько особенностей. В силу соотношений Крамерса-Кронига эффект "отклонения" в слабых полях (5.12) должен проявляться и в дисперсии скорости звука. Схема эксперимента по определению фермиевских скоростей в вольфраме описана в главе 2, На рис.29 представлена экспериментальная запись коэффициента поглощения продольного звука, м W в вольфраме: частотаСд/2Ж= = 950 МГц, Но = 3600 э, T.I. 7К. Постоянное магнитное поле Н параллельно поверхности образца и направлено вдоль осиГОІСО. Условия эксперимента дают оценки для параметра (]R 10 для наибольших импульсов носителей. При углах отклонения Ч) 0,7 и %% 1,9 наблюдаются особенности , обусловленные выполнением условия (5.10) для двух различных групп. При 5 начинаются геометрические осцилляции коэффициента поглощения звука как функции угла 4 . Экспериментальная запись / (4V качественно хорошо описывается выражением (5.14) с учетом конечного времени релаксации. С помощью (5.10) можно оценить фермиевские скорости двух групп электронов проводимости в направлениях С100J - и± « = 5 10 см/сек и 6 = 1,7»10 см/сек. Линия, описывающая эффект "отклонения" для случая слабых магнитных полей, имеет более острую форму, чем в случае сильных полей 9 R K 1 что обусловлено более жестким отбором резонансных электронов в условиях пространственной дисперсии. На присутствие и существенную роль эффектов поляризации в измерениях прямой трансформации указывают полевые зависимости U (п) и LAJH), а также поляризационные диаграммы трансформации (рис. 16 и рис.27). Как следует из данных эксперимента, при/7= 0 плоскость полярдзации линейно-поляризованной генерируемой волны параллельна Есо).
В больших магнитных полях Н 20 кЭ, CJ/29T = = 50 МГц плоскость поляризации линейно-поляризованной генерируемой волны нормальна к направлению Е(о). Другими словами, в магнитном поле Н происходит поворот плоскости поляризации генерируемого поля от направления, параллельного возбуждающему полю L(0) при /7 = 0, к направлению, нормальному к ЕСО) в больших магнитных полях, когда Cf К«1 % В терминах двух нормальных компонент Ы± и Ыц явление монотонного поворота плоскости поляризации легко объяснить разной полевой зависимостью их амплитуд. В общем случае разность фаз нормальных компонент - также функция магнитного поля; это приводит к появлению отличной от нуля эллиптичности генерируемой волны. Во всех экспериментах с разными углами Ф взаимной ориентации плоскости поляризации электромагнитного контура и пьезопре-образователя производились записи в режиме инверсии магнитного поля, т.е. при замене+ Н на" Н . Методика инверсии магнитного поля была предложена для магнитоакустических измерений в работе [10б]. Полевые зависимости ( Н) иЫп(п) рис.21 ( ф = = 90 и 0) были малочувствительны к инверсии магнитного поля, если отклонение угла Ч от 0 и 90 не превышало нескольких градусов. Наиболее существенная разница в амплитудах трансформации носительно оси координат. В области магнитных полей, где резо-нансов нет, направление вектора поляризации зависит от величины г! Угол и( Н) между вектором поляризации звука и осью у определяется отношением и /Н)/ Шп). Выше было показано, что для частот выше 100 МГц в условиях наших экспериментов достаточно учитывать лишь один проход генерируемой волны в образце. Пусть в поле г/ угол поворота плоскости поляризации генерируемой волны есть и . При инверсии // на /у плоскость поляризации генерируемой волны, согласно (6.2) и (6.3), поворачивается симметрично относительно осидС -ов, как показано на рис.31.
