Взаимодействие электромагнитных полей с диспергирующими неоднородными средами. Расчет пондеромоторных сил тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ С ДИСПЕРГИРУЮЩИМИ НЕОДНОРОДНЫМИ СРВДАМИ. РАСЧЕТ ПОНДЕРОМО

ТОРНЫХ СИЛ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

I.I. Внутренняя энергия электромагнитного поля и пондеромоторные силы в диспергирующих средах.

Ь»2. Взаимодействие электромагнитного поля с поверхностью твердого тела. Поверхностные возбуждения в металлах. 10 1.3. Вклад поверхностных возбуждений в динамическую поляризацию веществ.

Г.4. Взаимодействие переменного электромагнитного поля с нейтральной неограниченной средой.

Глава 2. СИЛЫ ВЗАИМОДШСТВИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЗАРЯДА С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА.

2.1. Потенциал поля, индуцируемого зарядом, движущимся вблизи металлической поверхности.

2.2. Расчет силы взаимодействия заряда, движущегося вблизи металла с поверхностью при учете пространственной и временной дисперсии

2.3. Расчет силы взаимодействия металла, обладающего анизотропной Ферми-поверхностью, с зарядом, движущимся над его поверхностью

Глава 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЯМИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ ДИСПЕРСИИ.

3.1. Молекулярные силы между металлами с учетом анизотропии Ферми-поверхностей.

3.2. Момент молекулярных сил взаимодействия между поверхностями металлов.

3.3. Электронный вклад в поверхностную энергию металла с анизотропной Ферми-поверхностью.

3.4. Молекулярные силы между полярным полупроводником и металлом

Глава 4. П0НДЕР0М0Т0РНЫЕ СИЛЫ В ДИПОЛЬНО-АКТИВНОМ ГАЗЕ.

УЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ ДИСПЕРСИИ.

4.1. Пондеромоторные силы в диспергирующих системах малой плотности

4.2. Дипольный газ в переменном электромагнитном

4.3. Пондеромоторные силы в диспергирующих дипольно-активных средах (феноменологический подход).

4.4. Взаимодействие дипольно-активного газа со световым пучком.

Описание взаимодействия электромагнитного поля с конденсированными средами связано с учетом пространственной и временной дисперсии.Диспергирующие среда в общем случае являются средами поглощающими и вопрос о силах, действующих со стороны электромагнитного поля, в отличие от вопроса о внутренней энергии поля, имеет смысл. Причиной возникновения нелокальных материальных соотношений служат как внешние переменные электромагнитные поля, так и пространственная неоднородность сред. Характерным пространственно-неоднородным объектом является поверхность или граница раздела. Пространственная неоднородность электронной подсистемы, обусловленная наличием гранивд раздела двух сред, приводит к возникновению колебаний электронной плотности, локализованных вблизи поверхности и является причиной нелокальной связи между индуцированным полем и зарядами. Возбуждение поверхностных состояний электронной подсистемы может быть вызвано как внешними по отношению к системе, так и внутренними флуктуационными источниками электромагнитного поля.

Целью настоящей работы является исследование влияния анизотропии энергетического спектра носителей заряда на закон дисперсии поверхностных плазмонов и, как следствие, на явления, связанные с их возбуждением в металлах и полупроводниках.

В работе рассмотрено взаимодействие нерелятивистски движущегося заряда с поверхностью и электромагнитное взаимодействие нейтральных макротел ( молекулярные силы Впн-дер-Ваальса). В первом случае причиной возбуждения поверхностных плазмонов служит поле движущегося заряда, во втором - флуктуационные источники ( например, флуктуации электронной плотности). В обеих ситуациях взаимодействие представлено длинноволновой частью электромагнитного поля. В подобных неоднородных задачах необходимость учета пространственной дисперсии определяется параметром OL , где OL - характерный параметр структуры (постоянная решетки), Л - длина волны индуцированного магнитного поля. Если при флуктуационном возмущении малость параметра Oi/А обеспечена существованием максимального значения волнового вектора плазмона, то при наличии внешнего возмущающего потенциала (движущийся заряд), малость параметра df/i, может быть определена нерелятивистской скоростью заряда или малостью его характерного расстояния от поверх-* ности. Таким образом, учет пространственной дисперсии в рассматриваемых ситуациях сводится к учету членов рада разложения по малому параметру СУ/А • Однако, анизотропия энергетического спектра носителей (анизотропия Ферми-поверхности) проявляется уже в "нулевом" члене разложения по€(//{& ее вклад определяется иным параметром* Так, например, диэлектрическая функция металла в длинноволновом пределе зависит от углов ориентации поверхности Ферми относительно поверхности металла. Причиной анизотропии спектра электронов может сложить сильное классическое магнитное поле. Структура поверхности также оказывает влияние на закон дисперсии электронов поверхностного слоя. В приближении длинных волн характер поверхности может быть представлен комбинацией двух предельных структур - зеркальной и диффузной. Анизотропия энергетического спектра электронов делает значительными отличия зеркального и диффузного способов отражения и приводит к различным видам интегральной связи индуцированного поля и заряда.

Как известно, закон дисперсии поверхностных плазмо-нов очень чувствителен к электронной структуре поверхностного слоя, поэтому существенное значение приобретает формулировка общих закономерностей, не зависящих от структуры поверхностного слоя, т.е. использование объемных величин, характеризующих неограниченную среду.

Реализация подобной программы может быть выполнена сведением проблемы к краевой задаче Римана или Гильберта. В этом методе используются аналитические свойства объемной диэлектрической функции и Фурье компонент электромагнитного поля.

В работе на основании квантового кинетического уравнения, дополненного условиями отражения электронов от границы, устанавливается связь между взаимодействием электронной плотности и потенциалом электрического поля. Ядро интегрального оператора удается выразить через объемную диэлектрическую функцию. Уравнения Пуассона сводятся к краевой задаче теории аналитических функций, позволяющей не только найти дисперсионное уравнение поверхностных плазмонов, но и рассчитать величину индуцированного поля. Определены силы, действующие со стороны поверхности на заряд, силы взаимодействия поверхностей металлов и полупроводников, электронная часть поверхностной энергии монокристалла. Рассчитанные величины зависят от вида Ферми поверхности и от углов .ее ориентации относительно границы. Подобная информация о Ферми- поверхности может быть получена путем измерения силы взаимодействия металлических поверхностей. Измерение элементов траектории заряженных частиц движущихся вблизи поверхностей позволяет судить о величине плазменной частоты металлов и полупроводников, а также о величинах асимптотических значений диэлектрической проницаемости <£с и £00диэлектриков. Кроме этого, представляется возможность управления пучками заряженных частиц силами изображения, связанными с динамической поляризацией поверхности.

Последняя глава посвящена расчету пондеромоторных сил в молекулярном газе, находящемся в переменном электромагнитном поле. Величина силы получена из уравнений баланса потока импульса центров масс молекул. Возникающая под действием пондеромоторной силы пространственная неоднородность молекулярной системы приводит к нелинейному оптическому эффекту-самофокусировке светового пучка.

Результаты работы могут быть использованыд для создания новых методов неразрушающего контроля, в частности, для определения положения и формы Ферми-поверхности металлов, плотности носителей в полярных полупроводниках, и диэлектриках и плазменную частоту в металлах.

Диссертант выражает глубокую признательность профессору Косачевскому Леониду Яковлевичу за постоянное внимание к работе и оказанную помощь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В настоящей работе найдена величина силы взаимодействия заряда с металлической поверхностью, впервые учтено влияние анизотропии Ферми-поверхности на величину силы. Рассчитана зависимость планарной компоненты силы от углов, определяющих ориентацию Ферми-поверхности.

2. Учтен вклад полной поляризации в величину силы взаимодействия заряда с поверхностью.

3. Показано, что форма и положение Ферми-поверхности влияют на величину молекулярных сил, действующих между поверхностями твердых тел.

4. Рассчитан вклад поверхностных колебаний электронной плотности в поверхностную энергию с учетом анизотропии Ферми-поверхности и величины нормальных молекулярных сил, действующих между металлами и полярным полупроводником.

5. В работе получено выражение для пондеромоторной силы, действующей со стороны переменного электромагнитного поля на молекулярный дипольно-активный газ малой плотности, которое применимо как для прозрачной, так и для поглощающей среды.

Проведенные расчеты приводят к выводу о необходимости применения нелокальных дисперсионных соотношений при рассмотрении вопроса о взаимодействии длинноволновой части электромагнитного поля с поверхностью кристаллов, независимо от рода источников (внешних, флуктуационных).

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М., Наука, 1982.

2. Бараш Ю.С., Гинзбург В.Д. О выражении для плотности энергии в электродинамике диспергирующей и поглощающей среды.-ЖЭТФ, 1975, т.69, №4(10), с.1179-1182.

3. Питаевский Л.П. Пондеромоторные силы в прозрачных диспергирующих средах.- ШЭТФ, I960, т;. .39, с.

4. Брыксин В.В.,Мирлин Д.Н., Фирсов Ю.А. Поверхностные оптические фононы в ионных кристаллах.- УФН, 1974, т.113, в.1, с.29-67.

5. Агранович В.М. Кристаллооптика поверхностных поляритонови свойства поверхности.- УФН, 1975, т.115, в.2, с.199-237.

6. Бланк А.Я., Березинский В.Л. О законе дисперсии поверхностных плазмонов.- ЗКЭТФ, 1978, 75, № 7, с.2317-2329.

7. Бродский A.M., Урбах Н.И. Об учете микроскопических эффектов в электродинамике поверхностей металлов.- ЖЭТФ, 1979, 77, № 6, с.656-671.

8. Зырянова Н.Н.,Окулов В.И. Дисперсионные уравнения для потенциальных поверхностных плазменных волн и собственные колебания электронной плотности приповерхностного слоя в металлах.- ФММ, 1980, 50, № I, с.496-510.

9. Гахов Ф.Д. Краевые задачи.-М., Физматгиз, 1963, с.105.

10. Забрейко П.П.,Комелев А.И.,Красносельский Н.А.,Михлин С.П., Раковщик Л.С.,Стреценко В.Я. Интегральные уравнениям.- М., Наука, 1968, с.308.

11. Мирошниченко В.И. Электромагнитные свойства полуограниченной плазмы при диффузном отражении электронов от границы.-ЖТФ, 1966, 36, № 6, с.1008-1016.

12. Романов D.A. Электромагнитные волны в полуограниченной плазме,- Изв.вузов, Радиофизика, 1964, 7, с.242-250.

13. Пахомов В.Е.,Фетисов Е.П. 0 возбуждении поверхностных волн двияущимся зарядом.- ЖЭТФ, 1967, 53, вып.3,с.963-977.

14. Т<аЛ«1 wvoto А/. 9Саь\л^ол c^tcukloM ёу1. Pattie£ab Odsld^^ РЩ.(Ц

15. Диденко А.Н., Картин В.И.,Фоменко Г.П. Взаимодействие релятивистского заряда конечной длины с проводящей поверхностью, покрытой слоем магнитодиэлектрика.- ЖТФ, 1978,т.48, вып.12, с.2441-2446.

16. Романов Ю.А.,Алешкин В.Я. Взаимодействие зарядов,движущихся вблизи границы твердого тела.- ФТТ,1981, т.23, вып.1, с.86-89.

17. Худяков И.И., Шустер Г.В. Силы взаимодействия зарядов с металлической поверхностью с учетом анизотропии поверхности Ферми-металла.- УФЖ, 1984, т.29, № 5, с.716-720.

18. Лифшиц Е.М. Теория молекулярных сил притяжения между твердыми телами.-ЖЭТФ, 1955, т.29, Щ7), с.94-110.

19. Дзялошинский И.Е.,Лифшиц Е.М.,Питаевский Л.П. Ван-дер~ Ваальсовы силы в жидких пленках.-ЖЭТФ, 1959, т.37, № I, с.229-241.

20. Дзялошинский И.Е.,Питаевский Л.П. Ван-дер-Ваальсовы силыв неоднородном диэлектрике.- ЖЭТФ, 1959, т.36, с.1797-1805.

21. Бараш Ю.С., Гинзбург В.Л. К электродинамической теории ван-дер-ваальсовых сил между микроскопическими телами.-Письма в ЖЭТФ, 1972, т.15, 69, с.567-571.

22. Бараш Ю.С. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между анизотропными телами.- Радиофизика, 1973, т.ХУ1, № 8, с.1227-1234.

23. Лифшиц Е.М.,Питаевский Л.П. Статистическая физика.-ч.2, 1978, с.28. WaUiA^ J . //сИ (i онlioiA Qetz^e^x O&U ttcCtbt^ — J . РЦл. 137$, v A <=>,p. n^o- \\4t.29. J . /Jibuilder еле toy. /973\/Увлуаp. 6/Т7-а/бг. ^ ' ' / '

24. UILI+i^ZcJ, У. Гке-оъл-f of VCL+1 o/*LT WaaJfb ^ittbejtfroh

25. Scszfac^ — PAtfj 4-ev & /Я/JV//1. У. Лаас/. . t976

26. Абрикосов А.А., Горьков А.П., Дзялошинский И.Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике.- М., Физ-матгиз, 1962, с.96.

27. Дерягин Б.В., Абрикосова И.И., Лифшиц Е.М. Молекулярное притяжение конденсированных тел.- УФН, 1958, т.64,с.493-511.

28. Уинтертон Р. Ван-дер-ваальсовы силы.- УФН, 1971, т.115, вып.2, с.307-320.

29. Худяков И.И., Шустер Г.В. Электронный вклад в энергию межкристаллитной границы.- В кн.: Физика твердого тела. Респ.межведомств.научно-техн.сб.

30. Казанцев А.П. Ускорение атомов резонансным полем.- ЖЭТФ, 1972, т.63, № 5, с.1628-1634.

31. Казанцев А.П. Ускорение атомов светом.- ЖЭТФ, 1974, т.66, № 5, т.I599-1612.38. ^S>IYKLV\ A. Aibvwlc- De-f fie^oiwjw s.e

32. RaeCuoUou Рк^.&глл . 1вЮ>т.2^}

33. Гапонов А.В., Миллер М.А. 0 потенциальных ямах для заряженных частиц в высокоч.астотном электромагнитном поле.-ЖЭТФД958, т.3,4, вып.1, с.242-263.

34. Худяков И.И., Шустер Г.В. Пондеромоторные силы в диспергирующих диэлектрических средах.- В кн.: Физика твердого тела. Респ.межведом, научно-техн.сб. Киев-Донецк, Вища школа,1978,№ 8, с.76-77.

35. Фрелих Г. Теория диэлектриков.- М.,Изд-во иностр.лит-ры, I960.

36. Ахманов С.А.,Сухоруков ,Хохлов Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде.- УФН, 1967, т.93, вып.1, с.19-70.

37. Климонтович Ю.Л.,Лузгин С.Н. 0 возможности совместной самофокусировки атомного и светового пучков.- Письмав ЖЭТФ, 1979, т.30, вып.8, с. 645-646.

38. Воробьев И.В.,Гегузин Я.Е. Эффект осциллирования:'быстрых ионов при взаимодействии с тонкой пленкой аморфного диэлектрика.- Письма в ЖЭТФ, т.24, № 3, с.161-163.

39. Худяков И.И., Шустер Г.В. Динамическая поляризация тонкой пластины движущимся зарядом.- В кн.: Физика твердого тела. Респ.межведом.научно-техн.сб. Киев-Донецк, Вища школа, 1982, Ш 12, с.74-76.