Resonancia ciclotrónica

La resonancia ciclotrónica describe la absorción resonante de ondas electromagnéticas por partículas cargadas (por ejemplo, por electrones libres o electrones en un sólido) que se encuentran en un campo magnético constante . El nombre se deriva del ciclotrón , un acelerador de partículas; allí las partículas se mueven en una trayectoria circular con la frecuencia del ciclotrón .

En los plasmas , la resonancia ciclotrónica de los electrones se puede utilizar para acoplar energía al plasma, es decir, para aumentar la energía cinética de los electrones y así calentar el plasma (resonancia ciclotrónica electrónica, ECR). Este método se utiliza en fuentes de iones EZR.

En los intentos de técnica de fusión de una temperatura muy alta de los iones (diferente de hidrógeno - isótopos ) necesario. Se puede lograr un calentamiento adicional de los iones, entre otras cosas, mediante calentamiento por resonancia de ciclotrón de iones (IZR).

La investigación de la resonancia ciclotrónica de los electrones (o " huecos ") de un material es también un método de la física del estado sólido para determinar la masa efectiva de los portadores de carga.

Los generadores de microondas de alto rendimiento ( gyrotrones y magnetrones ) funcionan con la resonancia ciclotrónica de electrones libres.

La resonancia ciclotrónica de partículas cargadas en una trampa de Penning se puede utilizar para determinar su relación entre masa y carga o, si se conoce la carga, su masa.

Bases teóricas

Sin un campo eléctrico, solo la fuerza de Lorentz actúa sobre un electrón (carga - e ) con la velocidad v en el campo magnético B.

${\ Displaystyle \ mathbf {F} = - {\ frac {e} {c}} \ \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}.}$

Un electrón libre sigue una órbita circular o una hélice; la frecuencia del ciclotrón es la frecuencia de la órbita del electrón.

En estado sólido, la velocidad está determinada por la relación de dispersión , es decir, por la energía y el vector de onda dados${\ Displaystyle E}$ ${\ Displaystyle \ mathbf {k}}$

${\ Displaystyle \ mathbf {F} = - {\ frac {e} {c}} \ \ mathbf {v} (\ mathbf {k}) \ times \ mathbf {B}.}$

${\ Displaystyle \ mathbf {\ dot {k}} = - {\ frac {e} {c \ hbar ^ {2}}} {\ frac {\ parcial E (\ mathbf {k})} {\ parcial \ mathbf {k}}} \ times \ mathbf {B}.}$

El electrón experimenta una fuerza que es perpendicular al campo magnético B y, en el espacio k , perpendicular al gradiente de la superficie E ( k ). Se mueve así sobre una superficie de energía constante. Por supuesto, esto también se puede concluir por razones de conservación de energía, ya que un campo magnético temporalmente constante no provoca ningún cambio en la energía de la partícula desviada. En el sólido, un electrón permanece en la superficie de Fermi durante su movimiento .

Suponiendo un gas de electrones libres, esto da como resultado la frecuencia de ciclotrón clásica , en la que cada electrón tiene el mismo tiempo orbital. Sin embargo, este no es el caso de los sólidos. Por lo tanto, para obtener una expresión generalmente válida para la frecuencia orbital, la masa de la partícula debe ser reemplazada por la masa efectiva de la partícula. Esto resulta en ${\ Displaystyle m ^ {*}}$

${\ Displaystyle \ omega _ {\ mathrm {C}} = {\ frac {eB} {m ^ {*}}}}$

con
B - densidad de flujo magnético - frecuencia de ciclotrón o frecuencia de rotación m * - masa efectiva de partículas (aquí: masa efectiva de electrones) e - carga elemental
${\ Displaystyle \ omega _ {C}}$

Resonancia ciclotrónica en física del estado sólido

Una muestra de cristal que se encuentra en un campo magnético estático B a bajas temperaturas (aproximadamente 4 Kelvin) se irradia con ondas de radio. Las ondas de radio aceleran los portadores de carga, que son desviados en trayectorias espirales por el campo magnético. La absorción de las ondas se vuelve máxima cuando la frecuencia de la onda de radio es igual o un múltiplo de la frecuencia del ciclotrón :

${\ Displaystyle \ omega _ {\ mathrm {em}} = p \ cdot \ omega _ {\ mathrm {C}} \ qquad p \ in \ mathbb {N}}$

Si se conoce la intensidad del campo magnético, se puede leer la masa efectiva del portador de carga. ${\ Displaystyle m ^ {*}}$

En el caso de un semiconductor, la muestra también debe irradiarse con luz, cuyos fotones tienen suficiente energía para elevar los electrones a la banda de conducción.

Ver también

Ciclotrón , frecuencia de ciclotrón , trampa de Penning , gyrotron , calentamiento por resonancia de ciclotrón

literatura

• Bernard Sapoval, Claudine Hermann : Física de semiconductores , Springer Verlag, 2005. ISBN 0387406301
• Konrad Kopitzki: Introducción a la física del estado sólido , Teubner Verlag, 2004. ISBN 3519430835

Evidencia individual

1. ^ NW Ashcroft, ND Mermin: Física del estado sólido (Edición universitaria). Editores de Harcourt College 1976, 214