Геликон (физика)

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; ${\displaystyle R=1/ne}$ — константа Холла, ${\displaystyle \omega _{c}=eB_{0}/m}$ — 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.

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.

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

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.[4]