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 ${\displaystyle ql<<1}$ , где ${\displaystyle q}$ — волновое число геликона, ${\displaystyle l}$ — 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 ${\displaystyle \omega }$ в условиях мгновенного равновесия, можно получить дисперсионное соотношение для геликона:

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

где ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная проницаемость вакуума , ${\displaystyle \rho =m/ne^{2}\tau }$ — сопротивление , ${\displaystyle u=RB_{0}/\rho =\omega _{c}\tau }$ — тангенс угла Холла между током и напряженностью электрического поля , ${\displaystyle B_{0}}$ — постоянное магнитное поле , ${\displaystyle \phi }$ — угол между ${\displaystyle q}$ и ${\displaystyle B_{0}}$ . Здесь ${\displaystyle m}$ — масса электрона, ${\displaystyle e}$ — его заряд , ${\displaystyle n}$ — плотность электронов, ${\displaystyle \tau }$ — характерное время, за которое носители теряют импульс при столкновениях с решеткой; ${\displaystyle R=1/ne}$ — , ${\displaystyle \omega _{c}=eB_{0}/m}$ — циклотронная частота носителей. Условием распространяющихся волн является неравенство ${\displaystyle |{\rm {Re}}q|>>|{\rm {Im}}q|}$ . 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 ${\displaystyle \rho }$ , а также граничные условия в ситуации пространственно ограниченных структур.

Нелокальный режим

Условием нелокальности является соотношение ${\displaystyle ql>>1}$ , 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 ${\displaystyle qV_{F}/\omega _{c}>1}$ , где ${\displaystyle V_{F}}$ — скорость свободных электронов, равная скорости Ферми ) и магнитное затухание Ландау ( ${\displaystyle qV_{F}/\omega _{c}<<1}$ ). Эти процессы существенно ограничивают диапазон существования распространяющихся геликонных волн.

Эксперименты с геликонами

Методы исследования

К основным методам наблюдения и изучения геликонов относятся:

• (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 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 ( , позволяющее осуществлять электромагнитное возбуждение ), с магнитными моментами ядер ( ЯМР -поглощение геликона), со спиновыми волнами в ферромагнетиках ( ).

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.

Примечания

Литература

• Канер Э. А. от 22 марта 2012 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия. — Т. 1. — М.: Сов. энцикл., 1988. — С. 428.
• Максфилд Б. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1971. — Т. 103 , вып. 2 . — С. 233—273 .
• Скобов В. Г., Канер Э. А. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1966. — Т. 89 , вып. 7 .