магнитные поверхностные уровни

МАГНИТНЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ УРОВНИ - квантовые энергетич. уровни электронов проводимости, движущихся в проводнике вблизи его поверхности под действием параллельного ей постоянного магн. поля. Для возникновения М. п. у. необходимы: большая длина свободного пробега электронов и большая вероятность их зеркального отражения при столкновенип с поверхностью проводника. Выполнение этих условии достигается при гелиевых темп-рах (4,2 К) в очень чистых монокристаллах проводников, имеющих оптически гладкую поверхность.

Рис. 1, а - траектория электрона, "скачущего" внутри проводника по его поверхности под действием силы Лоренца, создаваемой магнитным полем; б - траектория "скачущего" электрона в импульсном пространстве; показано сечение поверхности Ферми плоскостью рисунка; О - опорная точка.

Квазиклассич. картина явления состоит в следующем. М. п. у. возникают в проводнике для электронов, фермиевская скорость к-рых почти параллельна поверхности образца. В пространстве импульсов эти электроны находятся на ферми-поверхности в малой окрестности её т. н. опорной точки О, в к-рой точно параллельна поверхности образца. Магн. поле, воздействуя на электроны этой группы силой Лоренца, удерживает их у поверхности образца. В этих условиях электроны движутся по дугам малой кривизны, возвращаясь к поверхности образца и зеркально отражаясь от неё. Тем самым электроны совершают периодич. движение (электроны "скачут" по поверхности, рис. 1, а), к-рое должно быть квантовано. Разрешёнными оказываются орбиты, для к-рых магн. поток через сегмент, образуемый дугой траектории и поверхностью образца, равен

где n=1, 2, ..., е - элементарный заряд. В импульсном пространстве движению по скачущим орбитам соответствует движение по замкнутой орбите на поверхности Ферми в малой окрестности точки О (рис. 1, б), к-рое квантуется.

Квантовое рассмотрение движения электронов приводит к выражению для значений магн. поля Я_пь при к-рых имеют место максимумы резонансного поглощения эл--магн. поля частоты :

Здесь п, k=1, 2, 3, ...; ; ; R - радиус кривизны орбиты электронов в точке О.

Экспериментально существование М. п. у. обнаруживается как осцилляции (с амплитудой 0,1%) полного поверхностного сопротивления проводника (10-100 ГГц) в зависимости от магн. поля, изменяющегося в пределах 0,1-100 Э (рис. 2). М. п. у. изучались на монокристаллах Sn, Bi, In, Cd, Al, Cu [1, 2]. Природа осцилляции аналогична эффекту де Гааза - ван Альфена (см. Квантовые осцилляции в магнитном поле). Вычисленные по ф-ле (2) и по известным параметрам поверхности Ферми Bi значения точно совпадают с измеренными максимумами реактивного поверхностного сопротивления образца Bi [3-5].

Ф-ла (2) верна для образцов с плоской поверхностью; если же образец имеет цилиндрич. поверхность, то спектр изменяется. Наблюдается смещение и уширение линий спектра [6]. К изменению ширины и амплитуды линий приводит также изменение состояния поверхности образца (полировка, травление и др.).

Рис. 2, а - измеренные осцилляции поверхностного сопротивления (реактивного X)образца Bi при температуре 1,7 К на частоте 9,7 Ггц; б - рассчитанный спектр значений поля резонансного поглощения излучения электронами, находящимися на магнитных поверхностных уровнях.

В образце сверхпроводника первого рода в магн. поле, меньшем критического, существует лишь один М. п. у. нормальных электронов. Положение и ширина единств. линии поглощения определяется характером проникновения магн. поля в поверхностный слой сверхпроводника [7].

Исследование М. п. у. даёт возможность измерять параметры поверхности Ферми, изучать распределение магн. поля в поверхностном слое проводника и характер взаимодействия электронов с его поверхностью.

Лит.: 1) Хайкин М. С., Осцилляторная зависимость поверхностного сопротивления металла от слабого магнитного поля, "ЖЭТФ", i960, т. 39. с. 212; 2) его же, Магнитные поверхностные уровни, "УФН", 1968, т. 96, с. 409; 3) Электроны проводимости, под ред. М. И. Каганова, В. С. Эдельмана, М., 1985; 4) Абрикосов А. А., Основы теории металлов, М., 1987; 5) Nee T.-W., Prange R. E., Quantum spectroskopy of the low field oscillations of the surface impedance, "Phys. Lett.", 1967, v. 25 A, p. 582; 6) Doezema R. E., Koch J. Г., Strom U., Bound electron states at eurved surface, "Phys. Rev.", 1969, v 182, p. 717; 7) Koch J. P., Pinсus P. A., Microwave absorption by magnetic-fieldinduced surface states in superconductors, "Phys. Rev. Lett.", 1967, v. 19, p. 1044. М. С. Хайкин.

   <<      Предметный указатель      >>