Экспериментательное изучение нелинейных свойств нормальных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ЗВЕДЕНИЕ.

Глава I. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ

ТОКЕ В МЕТАЛЛАХ

§ I. Нелинейность на постоянном токе.

§ 2. Металлы в радиочастотном поле большой амплитуды-'.

§ 3, Нелинейные эффекты в СВЧ диапазоне.

Глава П. АВТОКОЛЕБАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО МОМЕНТА В МЕТАЛЛАХ И СИММЕТРИЯ ТОКОВЫХ

СОСТОЯНИЙ В ВИСМУТЕ.

§ I. 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.

§ 6. Поверхностный импеданс висмута на низких частотах.

Глава Ш. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ПЛАСТИНКАХ

§ I. Общие соображения о существовании электродинамических доменов в металлических пластинах

§ 2. Экспериментальное подтверждение существования электродинамических доменов . •

Глава 1У. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН ПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ

НОРМАЛЬНОГО МЕТАЛЛА.

§ I. Методика измерения

§ 2. Экспериментальные результаты

§ 3. Возможные механизмы возникновения нелинейности

Глава У. НЕДИФФУЗИОННОЕ ПРОНИКНОВЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ВИСМУТ.

§ I. Постановка задачи

§ 2. Методика измерений и экспериментальные результаты.

§ 3. Обсуждение экспериментальных результатов . . П

Глава У1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛА МЕТАЛЛА В

КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТА ПАМЯТИ.

§ I. Принцип работы элемента памяти на монокристалле металла.

§ 2, Результаты экспериментов

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 разнообразных 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 улучшени-зм качества металлических монокристаллов нелинейные эффекты становятся ярко выраженными, даже при сравнительно низких напря-кенностях электрического и магнитного поля в толще металла. 1аконец, надежда на создание новых элементов криогенной электропаки на основе металлических монокристаллов связана с использованием именно нелинейных свойств.

Данная диссертационная работа посвящена дальнейшему изуче-шю уже известных и поиску новых низкотемпературных электродинамических нелинейных эффнктов, которые можно наблюдать, если металлический 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 юлинейные свойства нормальных металлов.

В первой главе сделан краткий обзор некоторых из уже известных нелинейных эффектов на постоянном и переменном токе.

Во второй главе изложены качественные соображения, позволяющие объяснить механизм возникновения, пороговый характер и симметрию "токовых" состояний монокристаллов висмута, облучаемых сильным электромагнитным 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 магнитного момента образца поверхностный импеданс висмута имеет особенности на частотах, где при дальнейшем увеличении амплитуды высокочастотного магнитного поля возникают автоколебания.

Третья глава содержит результаты экспериментов, в которых исследовались возникновение и устойчивость электродинамические иоменов, на которые разбивается монокристаллический образец висмута или олова, находящийся в "токовом" состоянии.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального заблюдения и обсуждение эффекта взаимодействия двух электромаг-штных волн разных частот при отражении от поверхности металла. Эффект не является слабым, так как действительная часть поверх-юстного импеданса на низкой частоте в присутствии высокочастот-юго поля изменяется в несколько раз.

В пятой главе речь идет о проникновении сильной электромаг-штной волны в 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 дееет разные знаки. Волна без заметного затухания пробегает расстояния, 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 магнитного поля.

В шестой главе обсуждается принципиальная возможность использовать монокристалл висмута, находящийся в "токовом" состоянии, как элемент памяти, работающий при гелиевых температурах. Зриведены результаты испытания такого элемента памяти.

Результаты работы опубликованы в статьях [24,31,32,67j, до-жены на Всесоюзном совещании по физике низких температур НТ-20 /1осква, 1979 г.), XXI Международной конференции стран-членов ЭВ по физике и технике низких температур (Варна, 1983 г.), I зесоюзном семинаре "Низкотемпературная физика металлов" (Донецк, 379 г.)» 18 Международной конференции стран-членов СЭВ по физи-; и технике низких температур (Дрезден, 1979 г.).

Автор выражает искреннюю благодарность Долгополову В.Т. за шмание проявленное на экспериментальной стадии работы и за по->щь при написании диссертации, Гантмахеру В.Ф. за предоставлен-'ю возможность выполнить диссертационную работу. Хочется побла-щарить Мурзина С.С. за сотрудничество и помощь в работе и вы-1зить признательность всем сотрудникам ЛЭК,способствовавшим шолнению диссертационной работы.

ЗАКЖИЕНИЕ

К основным результатам диссертационной работы можно отнести :едующее:

1. Экспериментально изучены "токовые" состояния на образцах юмута. Подтверждены основные черты явления: существование гис-Фезисных петель со скачкообразными переходами, пороговый харак-р эффекта. Рядом экспериментов подтверждено существование боко-[X гистерезисных петель, результаты эксперимента согласуются с >едсказаниями теории.

2. Проделан анализ устойчивости "токовых" состояний и пока-iho, что не все из возможных состояний устойчивы. Образец, на-дящийся в неустойчивом состоянии, может быть приведен в одно из тойчивых состояний длинноволновым возмущением, либо может перейв автоколебательный режим, сопровождающийся излучением низко-стотных электромагнитных волн. Автоколебания макроскопического гнитного момента экспериментально наблюдались на ряде образцов смута. Эффект имеет пороговый характер по амплитуде высокочастного магнитного поля. Частоты колебаний лежали в диапазоне от

0 д

1 до 10 Гц и увеличивались с возрастанием высокочастотного гнитного поля.

3. Обнаружено, что образец металла (олова или висмута), на-дящийся в "токовом" состоянии, может обладать доменной структу-й. Электродинамические домены отличаются направлением макро-опического магнитного момента. Продемонстрировано, что различ-е доменные структуры обладают разной устойчивостью во внешнем гнитном поле.

4. Обнаружено взаимодействие электромагнитных волн различх частот при отражении от поверхности нормального металла. казано, что под действием радиочастотного поля 10® Ги) ялг q йствительная часть низкочастотного Гц) поверхностного шеданса металлической пластины может увеличиться в несколько 13. Величина этого изменения нелинейно зависит от амплитуды вы-жочастотного магнитного поля и пропорциональна низкочастотному шнитному полю, при малых амплитудах последнего. Введение слабо> постоянного магнитного поля подавляет взаимодействие волн.

5, Экспериментально изучено проникновение сильного низкочас->тного электромагнитного поля в тонкую пластину висмута и в об-1зец,характерный размер которого много больше глубины низкочас-(тного скин-слоя. Обнаружено, что в толще металла может распро-'раняться волна с резким фронтом, по обе стороны которого маг-:тное поле имеет разные знаки. При этом экранирующий толщу ме-1лла ток в основном сосредоточен в области фронта. Волна с кру-м фронтом проникает в глубь металла на расстояния, значительно ювышающие глубину скин-слоя в линейном режиме. Измерены зависи-юти скорости фронта от амплитуды и частоты переменного магнит-то поля. Сопоставление экспериментальных данных с результатами сленного решения модельных уравнений показывает, что реальный онт круче, чем это следует из расчета. Зависимость скорости онта от частоты также не совпадает с ожидаемой из расчета. Фор-ирование крутого фронта при проникновении электромагнитного по-■ большой амплитуды в пластину, толщина которой меньше глубины ин-слоя на данной частоте, объясняет расхождение эксперимен-льных данных с предсказаниями теории.

6. Показана принципиальная возможность использования "токо-х" состояний для построения элемента памяти. Испытан макет эле-нта памяти на "токовых" состояниях тонкой висмутовой палочки, тановлено, что прямоугольный импульс магнитного поля, длитель-стыо меньше времени затухания токов Фукко в объеме палочки, жет вызвать переход палочки из одного "токового" состояния в эугое.

1. Лифшиц И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. "Электронная теория металлов" М.: Наука, 1971, 415 с.

2. Каганов М.И., Песчанский Б.Г. "О нелинейных эффектах в металлах при низких температурах" ЖЭТФ, 1957, т.33, с.1261-1263.

3. Крылов И.П., Шарвин Ю.В. "Наблюдение "горячих" электронов в висмуте с помощью микроконтактов" Письма в ЖЭТФ, 1976, т.23, с.166-170.

4. Мурзин С.С., Долгополое В.Т., "Нагрев и времена релаксации электронов и дырок в висмуте" ЖЭТФ, 1980, т.79, с.2282-2289.

5. Гаспаров Б.А., Козлов С.А. "Наблюдение горячих электронов в молибдене" Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, с.122-125.

6. Мурзин С.С. "Экспериментальное изучение нелинейных электродинамических эффектов в металлах" Дис.канд.физ.-мат.наук -Черноголовка 1982. - 127 с.

7. Бабкин Г.И., Долгополов В.Т. "О возможности разогрева электронов полуметалла типа висмута" ФНТ, 1979, т.5, с.1158-1161.

8. Слуцкин А.А., Кадигробов A.M. "Электрические домены в металлах при низких температурах" Письма в ЖЭТФ, 1978, т.28, с.219-222.

9. Цзян Ю.Н., Ордынец А.Г. "Объемный нелинейный эффект в электропроводности металлического образца в стационарном режиме" -ФНТ, 1980, т.6, с.1279-1285.

10. Слуцкин А.А., Кадигробов A.M. "Нелинейные эффекты в низкотемпературной статической проводимости металлов, обусловленные когерентным магнитным пробоем" ФНТ, 1978, т.4, с.536-540.

11. Васькин В.В., Волошин И.Ф., Демиховский В.Я., Фишер Л.М. "Нелинейный скин-эффект в металлах" ФНТ, 1979, т.5, с.605-609.factor С Jl.„ TVla^bttic fbM Арап 7./. sLLn-ettpti, <4 faltacnnn- Ни$А.Релг

12. S-vt.A, 196$, vi4oi рtew-icss.

13. Гантмахер В.Ф. "Поверхностный импеданс Bt на частотах МО мГц в слабых магнитных полях" Письма в ЮТФ, 1965, т.2, с.557-562.

14. Марголин Л.Я. "Поверхностный импеданс висмута при большой амплитуде электромагнитной волны" Дипломная работа - Черноголовка 1972 г., 22 с.

15. Долгополов В.Т., Мурзин С.С., Чупров П.Н. "Взаимодействие электромагнитных волн различных частот при отражении от поверхности нормального металла" ЖЭТФ, 1980, т.78, с.331-338.

16. Долгополов В.Т., Марголин Л.Я. "Поверхностный импеданс висмута при больших амплитудах электромагнитных волн" Письма в ЖЭТФ, 1973, т.17, с.233-236.£>аМш & .I.J Uo&jopo-Lob-V.T. „ 0и Uu „ Ut/ibc*U„ tjjdz опЛ^Ы " — Sol. Si. Стыки. f 1916,v IS,

17. Долгополов В.Т. "Токовые состояния в висмуте" ЖЭТФ, 1975, т.68, с.355-365.

18. Бойко В.В., Овчинникова Л.В., Ландышева Г.Н. "0 нелинейном поглощении высокочастотной энергии вольфрамом при больших амплитудах электромагнитной волны" Письма в ЖЭТФ, 1980, т.32, с.432-436.

19. Макаров Н.М., Ямпольский В.А. "Теория "токоеых состояний"в металлах" ЖЭТФ, 1983, т.85, с.614-626.

20. Макаров Н.М., Ямпольский В.А. "О природе токовых состояний в металлах" Письма в ЖЭТФ, 1982, т.35, с.421-424.

21. Бабкин Г.И., Долгополов В.Т., Чупров П.Н. "Симметрия "токовых" состояний и автоколебания в висмуте" ЖЭТФ, 1978, т.75, C.I80I-I8II.- 146

22. JJ-crtaepcytM-VJ^ CfoufttrP.N. „ ^W^tAWC^ с£о+п-ал<п& Ln IvxAcd .St.CcHvrn. , ШЪ^Чв, P.IGS-/C?.

23. Upbd ЛшмаМ PA^.fUv-.lbtt.) 1969,*!*/, p.

24. S. Вольский Е.П., Петрашов В.Т. "О природе квэнтоеых осцилляций наблюдаемых при распространении геликонов в металле" Письма в редакцию (ЖЭТФ), 1968, т.7, с.427-430.

25. Левиев Г.И., Ящин Э.Г. "Генерация второй гармоники в висмуте" Письма в ЖЭТФ, 1969, т.10, с.257-260.и Левиев Г.И. "Генерация второй гармоники в висмуте при аномальном скин-эффекте" ЖЭТФ, 1972, т.62, с.1031-1035.

26. Левиев Г.И., Ящин Э.Г. "УдЕоение частоты при распространении магнитоплазменных волн в висмуте" ФТТ, 1978, т.20, с.1779--1782.

27. Левиев Г.И., Иконников В.Б., Гантмахер В.Ф. "Нелинейный циклотронный резонанс в висмуте" Письма в ЖЭТФ, 1979, т.29, с.634-637.

28. Хайкин M.C., Якубовский А.Ю. "Возбуждение постоянной разности потенциалов полем СВЧ в висмуте" ЖЭТФ, 1971, т.60, с.2214--2219.

29. Хайкин М.С., Семенчинский С.Г. "Обнаружение постоянных замкнутых токов в металле возбуждаемых полем СВЧ" Письма в ЖЭТФ, 1972, т.15, с.81-83.

30. Каганов М.И., Пешков В.П. "О радиоэлектрическом эффекте в сильном магнитном поле" ЖЭТФ, 1972, т.63, с.2288-2296.

31. Гуревич Л.Э., Мезрик О.А. "Свето- и термоэлектрический эффекты, создаваемые электромагнитной волной в проводящей среде" -ФТТ, 1974, т.16, с.773-778.

32. Коган Ш.М. "Фототермомагнитный эффект в полуметалле при возбуждении в нем слабозатухающих волн" ЖЭТФ, 1973, т.64, с.1071-1073.

33. Письма в ЖЭТФ, 1980, т.31, с.3-6. . Ящин Э.Г. "Самовоздействие магнитоплазменной волны в висмуте"- ФТТ, 1980, т.22, с.2293-2300.

34. Левиев Г.И. "Нелинейные эффекты в металлах в СВЧ диапазоне"- Дис.канд.физ.-мат.наук. Москва 1972 г. - 127 с.

35. Эдельман З.С. "Форма электронной поверхности Ферми висмута"- ЖЭТФ, 1973, т.64, с.1734-1745.

36. Лифшиц И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. "Электронная теория металлов" М.: Наука, 1965.

37. Долгополов В.Т., Чупров П.Н. "Недиффузионное проникновениенизкочастотных электромагнитных волн в висмут" ЖЭТ9>, 1982,T.S3, ■ со2287-2295.

38. Гуревич Л.Э., Иоффе И.В. "Периодические структуры кинетического характера в проводящих средах со стационарным потоком"- ЖЭТФ, 1971, т.61, -0.1133-1143.

39. Физика металлов (под редакцией Дж.Займана) М: Мир, 1972.464 с.

40. PcU, cUa^icf S. Fali Ълл^се ivyifwctrnicsиЛЛус1&1 C^VGLAXIO^A ; the блеЖ- fXa-utn^

41. Viyvuxl !л* еЛсЛегЬго-н цдоъъ^пе* PtujA. QevB,19 vlS? р 5Ь 09-SI 19.