Геликон (физика)

Геликон (др.-греч. ἕλιξ, род. падеж. ἕλικος — кольцо, спираль) — низкочастотная электромагнитная волна, которая возникает в некомпенсированной плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.

Из истории открытия

Существование электромагнитных возбуждений геликонного типа в плазме твердых тел было предсказано в 1960 году: в металлах — О. В. Константиновым и В. И. Перелем, в полупроводниках — П. Эгреном. Термин «геликон» был введен Эгреном и отражал круговой характер поляризации этой волны. Через год геликоны были экспериментально обнаружены в натрии. В том же году было установлено, что так называемые «свистящие атмосферики» (вистлеры) представляют собой геликонные волны, распространяющиеся в газовой плазме ионосферы Земли.

Режимы существования геликонов

Возможность распространения электромагнитных волн в хорошо проводящих средах в присутствии сильного магнитного поля можно пояснить следующим образом. В отсутствие магнитного поля в среде имеет место скин-эффект: под действием излучения с частотой, меньшей плазменной, возникают токи, которые экранируют электромагнитное возмущение и препятствуют его проникновению вглубь вещества. Магнитное поле ослабляет это экранирование, заставляя носители заряда под действием силы Лоренца двигаться более упорядоченно и мешая им эффективно реагировать на поле электромагнитной волны. Это дает возможность распространения в среде низкочастотных геликонов.

В зависимости от соотношения длины свободного пробега носителей заряда и длины волны электромагнитного возбуждения выделяют «локальный» и «нелокальный» режимы распространения геликонов. Для рассмотрения каждого из этих случаев приходится применять различные теоретические и экспериментальные подходы.

Локальный режим

Условие локальности может быть записано в виде $ql<<1$, где $q$ — волновое число геликона, $l$ — длина свободного пробега носителей заряда (электронов). Основные особенности геликонных волн могут быть получены в модели свободных электронов. Рассматривая падение на проводящую среду электромагнитной волны частоты $\omega$ в условиях мгновенного равновесия, можно получить дисперсионное соотношение для геликона:

$q_{\pm }^{2}=\omega \mu _{0}/\rho (\pm u+i)\cos \phi$,

где $\mu _{0}$ — магнитная проницаемость вакуума, $\rho =m/ne^{2}\tau$ — сопротивление, $u=RB_{0}/\rho =\omega _{c}\tau$ — тангенс угла Холла между током и напряженностью электрического поля, $B_{0}$ — постоянное магнитное поле, $\phi$ — угол между $q$ и $B_{0}$. Здесь $m$ — масса электрона, $e$ — его заряд, $n$ — плотность электронов, $\tau$ — характерное время, за которое носители теряют импульс при столкновениях с решеткой; $R=1/ne$ — константа Холла, $\omega _{c}=eB_{0}/m$ — циклотронная частота носителей. Условием распространяющихся волн является неравенство $|{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|$. В полубесконечном металле геликон, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля, является поперечной циркулярно поляризованной волной, электрическое и магнитное поля которой вращаются вокруг направления распространения в том же направлении, что и электроны.

В общем случае необходимо учитывать тензорный характер параметров среды, в частности сопротивления $\rho$, а также граничные условия в ситуации пространственно ограниченных структур.

Нелокальный режим

Условием нелокальности является соотношение $ql>>1$, то есть на длине свободного пробега укладывается много длин волн геликона. Поэтому в данном случае нельзя пренебрегать микроскопическим (циклотронным) движением носителей заряда. С математической точки зрения это приводит к необходимости вычисления нелокального тензора проводимости. Физическую картину в нелокальном случае определяют эффекты бесстолновительного поглощения волны носителями, крайними случаями которого являются доплер-сдвинутый циклотронный резонанс (условие поглощения $qV_{F}/\omega _{c}>1$, где $V_{F}$ — скорость свободных электронов, равная скорости Ферми) и магнитное затухание Ландау ($qV_{F}/\omega _{c}<<1$). Эти процессы существенно ограничивают диапазон существования распространяющихся геликонных волн.

Эксперименты с геликонами

Методы исследования

К основным методам наблюдения и изучения геликонов относятся:

• Метод скрещенных катушек (одна катушка возбуждает геликон, а вторая — ортогональная ей — регистрирует его поле в образце)
• Метод интерферометрии (общий сигнал на выходе является результатом интерференции сигнала геликона с некоторым опорным сигналом)
• Интерферометрия с одной катушкой (для измерения сигналов высоких частот)
• Методы поверхностного импеданса

Результаты исследований

Экспериментальные наблюдения геликонов в локальном режиме позволяют измерить константу Холла, магнетосопротивление, поверхностное поглощение волн при различных геометриях образцов.

Эксперименты в нелокальном режиме в условиях циклотронного поглощения и затухания Ландау позволяют определять поверхностный импеданс образцов, форму поверхности Ферми, оценить роль столкновений в процессах затухания. Отдельным направлением исследований является изучение взаимодействия геликонов с другими типами возбуждения в веществе: со звуком (геликон-фононное взаимодействие, позволяющее осуществлять электромагнитное возбуждение акустических волн), с магнитными моментами ядер (ЯМР-поглощение геликона), со спиновыми волнами в ферромагнетиках (геликон-магнонное взаимодействие).

Обычно геликоны в лабораторных экспериментах получают в плазме твёрдых тел или разрядных трубках с газовой плазмой. В 2015 году американские исследователи сообщили о получении геликонов в неограниченной плазме, вдали от каких-либо поверхностей. Это достижение позволяет изучить в лаборатории возникновение таких волн в ситуации, близкой к условиям, имеющимся в космическом пространстве.

Литература

• Канер Э. А. Геликон Архивная копия от 22 марта 2012 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия. — Т. 1. — М.: Сов. энцикл., 1988. — С. 428.
• Максфилд Б. Геликоны в твердых телах (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1971. — Т. 103, вып. 2. — С. 233—273.
• Скобов В. Г., Канер Э. А. Электромагнитные волны в металлах в магнитном поле (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1966. — Т. 89, вып. 7.
• Скирмионные состояния в хиральных жидких кристаллах Дж. де Маттеис, Л. Мартина, В. Турко