Техника - молодёжи 1969-12, страница 4
нскот fA3M£fH повшивс 7ИЯШГ Акустический ЭФФЕКТ/ Pi Pt /эффект Гантмахера/, ^JU- сна/ У Pt Pi нашоащке сиеиие **«*ТЛПААЫ ЛАИ АЛЬЭЕМА/ КРИВХ1МА /АнОМАЛШИИ (КИИ of аасп контакта с соссаией поммиосгьн» / МАГЙИТОСОПРОТИвЛСИИГ / СКOf0(ТЬ »ЛСКТРО»А /аИКАОГГОМММЙ ШОНАНС/ ЧИСЛО ЭЛЕКТРОНОВ В СЛОЕ /ПОМТГОННАЯ АННИГИЛЯЦИЯ/ Рис. 2. Построение Ферми-поверхности семью различными методами. П03ИТР0ННАЯ АННИГИЛЯЦИЯ. Образец бомбардируется позитронами, иоторые внутри металла соударяются с электронами. Микрочастицы аннигилируют, превращаясь в два фотона. Они разлетаются. Угол между направлениями их полета зависит от скорости электрона до столкновения. Измеряя углы между парами фотоноа, можно представить, как распределяются электроны по скоростям. Затем находят примерное число электронов в каждом поперечном сечении — «разрезе» Ферм и-поверхности. ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС. Измеряется резонансное поглощение металлом микроволн в присутствии магнитного поля. Определяется скорость электронов на Ферми-поверхности. МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ. По действию магнитного поля, изменяющего электросопротивление металла, можно узнать, касаются ли Ферми-поверхности друг друга. Удается зафиксировать расположение точек касания. АНОМАЛЬНЫЙ СКИН-ЭФФЕКТ. Образец облучается микроволнами. Поглощение этих воли различно на различных гранях кристалла. Это дает кривизну Ферми-поверхиости в разных направлениях. Затем, после трудоемких вычислений, можно установить (более или менее точно) ее форму. ЭФФЕКТ ДЕ ГААЗА — ВАН АЛЬФЕНА. Измеряется намагничивание металла при низких температурах. Рассчитывают площадь поперечного сечения Ферми-поверхности под прямым углом к направлению магнитного поля. МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЯ ЭФФЕКТ. Зная, как влияют магнитные поля различной силы на поглощение металлом звука, можно вычислить некоторые размеры Ферми-поверхиости. «ЭФФЕКТ ГАНТМАХЕРА», как и магиитоакустический, определяет характерные размеры Ферми-поверхиости. Но этот метод дает результаты более точные и ясные, позволяет обойтись без электронно-вычислительной машины. Об «эффекте Гантмахера» и рассказывает публикуемая статья. кристаллографических осях различна. Поэтому поверхность Ферми отклоняется от идеально симметричной сферы и приобретает иногда такой причудливый вид, что становится похожей, по выражению английского физика Дж. Займана, на произведение скульптора-абстракциониста. Как бы ни была сложна Ферми-поверхность, изучение ее топографии — дело первостепенной важности. Пусть это всего лишь воображаемое сооружение в вымышленном пространстве скоростей, наметанный глаз физика по одному его внешнему виду способен угадать, какой букет металлических свойств предуготовила Природа, как поведет себя вещество при тех или иных условиях. Опытный «физиономист», ученый предскажет даже, что произойдет с этими свойствами, если изменить структуру металла (например, сплавить его с другими материалами). Чтобы прощупать невидимую поверхность, металл облучали высокочастотными электромагнитными волнами, обстреливали трассирующими позитронными очередями, брали под перекрестный огонь ультразвука и магнитных полей. За короткий срок родились методы исследования один другого экзотичнее. С помощью эффекта де Гааза — ван Альфена можно измерить площадь наибольшего сечения Ферми-по-верхности; по аномальному скин-эффекту определяют ее кривизну и общую величину» Магиитоакустический эффект помогает измерить некоторые наиболее важные размеры (рис. 2). Однако всякого рода побочные явления настолько усложняют измерения, что даже эти далеко не полные результаты приходится долго расшифровывать. Вот почему настоящего успеха физики дооились сравнительно недавно, немногим более десяти лет назад. В 1957 году А. Пиппард из Кембриджского университета построил первую детальную модель Ферми-поверхности. Он взял одновалентный металл с самой простой кристаллической структурой — медь. Ферми-поверхность меди шаро образна, но имеет забавные «горлышки» наподобие иллюминаторов в глубоководном батискафе. Гораздо труднее построить Ферми-поверхности многовалентных металлов. Для этого нужны четкие и однозначные результаты. Только массированный огонь сразу нескольких методов позволяет с честью выйти из «Ферми-тупика». За последние годы в советском «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) появились статьи с подробным описанием невидимых энергетических контуров для электронов в олове. Сложнейшая по структуре Ферми-поверхность была изучена всего лишь одним методом. Успех выпал на долю молодого советского физика Всеволода Гантмахера. Открытый им эффект пришелся «по вкусу» ученым. Вслед за оловом этим методом были прозондированы индий, галлий, вольфрам, молибден, кадмий* Если электрон движется в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитного поля, он начинает описывать замкнутую орбиту. Но скорость микрочастицы при этом не меняется, остается прежней и ее энергия. А это означает, что электрон, кружась беспрестанно, ни разу не сойдет со своей энергетической «сферы», как бы сложна она ни была. Итак, путь свободного электрона в пространстве скоростей при воздействии магнитного поля — неизбежный компромисс между двумя неумолимыми требованиями: во-первых, он вынужден оставаться на одной и той же энергетической поверхности, во-вторых, не может вырваться из плоскости, перпендикулярной магнитному полю. На этом перекрестке и отыщется его замкнутая орбита; электрон обрисовывает контур сечения энергетической поверхности злополучной плоскостью (см. 4-ю стр. обложки). Но нас интересуют лишь контуры Ферми-поверхности. Как выделить их из необозримой путаницы маршрутов микрочастиц на различных энергетических «сферах»? Помочь может электрическое поле, ведь на него откликаются электроны именно с этой поверхности. Переменный ток в проводнике течет лишь а узком поверхностном слое, а не во всем объеме. Это явление называют скин-эффектом. Чем выше частота тока, тем тоньше скин-слой. При частоте в миллион герц он утончается до тысячной доли миллиметра. Если перпендикулярно направлению поверхностного тока приложить постоянное магнитное поле, доселе прямая трасса микрочастицы немедленно искривится в замкнутую орбиту. Электрон «ныряет» в глубь образца и вскоре возвращается обратно, внося свою долю в электрический ток. Постепенно уменьшая магнитное поле, мы увеличиваем размер орбиты, не изменяя ее формы. В конце концов электрон коснется скин-слоя у противоположной стороны проводника. Дальнейшее ослабление магнитных объятий окажется уже роковым. На первом же витке электрон ударится о поверхность образца и выйдет из игры. Все это не может оставаться незамеченным для приборов, измеряющих сопротивление. Только что одна и та же микрочастица успевала побывать сразу в обоих скин-слоях, дважды участвуя в электрическом токе, и вдруг малейшее изменение магнитного поля бросает ее в гибельный «таран». Всплеск и провал на кривой проводимости поведают об этих драматических событиях в куске металла. Удастся «запеленговать» тот критический момент, когда размер орбиты электрона сравняется с толщиной образца. Основанное на сложной игре различных «размеров» явление получило название «радиочастотного размерного эффекта», или «эффекта Гантмахера». Пластинка из кристалла металла словно штангенциркуль промеряет своей толщиной траекторию электрона, пронизывающего оба скин-слоя. Чтобы перейти к габаритам Ферми-поверхности, необходимо спроецировать реальную кривую на вымышленное пространство скоростей. Оказывается, это ничего не стоит сделать. Форма «витка» — точное подобие воображаемого пути электрона на Ферми-поверхности. Достаточно лишь повернуть этот «виток» на 90° и внести поправку на размеры согласно математическим формулам. Одним росчерком пера толщина пластинки (d) перевоплощается в размер одного из сечений Ферми-поверхности (Р). Стоит теперь повернуть магнитное поле на некоторый угол (но по-прежнему оставляя его параллельным поверхности образца), и мы получим другое такое сечение. Правда, электрон будет двигаться вдоль силовых линий по спирали. Однако в плоскости, перпендикулярной направлению поля, микрочастица по-прежнему описывает копию ее пути в про- 2 |
