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 <math>ql<<1</math>, где <math>q</math> — волновое число геликона, <math>l</math> — 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 <math>\omega</math> в условиях мгновенного равновесия, можно получить дисперсионное соотношение для геликона:

<math>q^2_{\pm}=\omega \mu_0 / \rho (\pm u+i) \cos \phi</math>,

где <math>\mu_0</math> — магнитная проницаемость вакуума, <math>\rho=m / n e^2 \tau</math> — сопротивление, <math>u=R B_0 / \rho=\omega_c \tau</math> — тангенс угла Холла между током и напряженностью электрического поля, <math>B_0</math> — постоянное магнитное поле, <math>\phi</math> — угол между <math>q</math> и <math>B_0</math>. Здесь <math>m</math> — масса электрона, <math>e</math> — его заряд, <math>n</math> — плотность электронов, <math>\tau</math> — характерное время, за которое носители теряют импульс при столкновениях с решеткой; <math>R=1/ne</math> — константа Холла, <math>\omega_c=e B_0 / m</math> — циклотронная частота носителей. Условием распространяющихся волн является неравенство <math>|{\rm Re} q|>>|{\rm Im} q|</math>. 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 <math>\rho</math>, а также граничные условия в ситуации пространственно ограниченных структур.

Нелокальный режим

Условием нелокальности является соотношение <math>ql>>1</math>, 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 <math>qV_F/\omega_c>1</math>, где <math>V_F</math> — скорость свободных электронов, равная скорости Ферми) и магнитное затухание Ландау (<math>qV_F/\omega_c<<1</math>). 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

• Э. А. Канер. [www.femto.com.ua/articles/part_1/0706.html Геликон.] // Физическая энциклопедия. — Т. 1, С. 428. — М.: СЭ, 1988.
• Б. Максфилд. [ufn.ru/ufn71/ufn71_2/Russian/r712b.pdf Геликоны в твердых телах.] // УФН. — 1971. — Т. 103, вып. 2. — С. 233-273.
• В.Г. Скобов, Э.А. Канер. [ufn.ru/ufn66/ufn66_7/Russian/r667b.pdf Электромагнитные волны в металлах в магнитном поле] // УФН. — 1966. — Т. 89, вып. 7.

Отрывок, характеризующий Геликон (физика)

– Но как же это по русски сказать?..


Когда Пьер вернулся домой, ему подали две принесенные в этот день афиши Растопчина.
В первой говорилось о том, что слух, будто графом Растопчиным запрещен выезд из Москвы, – несправедлив и что, напротив, граф Растопчин рад, что из Москвы уезжают барыни и купеческие жены. «Меньше страху, меньше новостей, – говорилось в афише, – но я жизнью отвечаю, что злодей в Москве не будет». Эти слова в первый раз ясно ыоказали Пьеру, что французы будут в Москве. Во второй афише говорилось, что главная квартира наша в Вязьме, что граф Витгснштейн победил французов, но что так как многие жители желают вооружиться, то для них есть приготовленное в арсенале оружие: сабли, пистолеты, ружья, которые жители могут получать по дешевой цене. Тон афиш был уже не такой шутливый, как в прежних чигиринских разговорах. Пьер задумался над этими афишами. Очевидно, та страшная грозовая туча, которую он призывал всеми силами своей души и которая вместе с тем возбуждала в нем невольный ужас, – очевидно, туча эта приближалась.
«Поступить в военную службу и ехать в армию или дожидаться? – в сотый раз задавал себе Пьер этот вопрос. Он взял колоду карт, лежавших у него на столе, и стал делать пасьянс.
– Ежели выйдет этот пасьянс, – говорил он сам себе, смешав колоду, держа ее в руке и глядя вверх, – ежели выйдет, то значит… что значит?.. – Он не успел решить, что значит, как за дверью кабинета послышался голос старшей княжны, спрашивающей, можно ли войти.
– Тогда будет значить, что я должен ехать в армию, – договорил себе Пьер. – Войдите, войдите, – прибавил он, обращаясь к княжие.
(Одна старшая княжна, с длинной талией и окаменелым лидом, продолжала жить в доме Пьера; две меньшие вышли замуж.)
– Простите, mon cousin, что я пришла к вам, – сказала она укоризненно взволнованным голосом. – Ведь надо наконец на что нибудь решиться! Что ж это будет такое? Все выехали из Москвы, и народ бунтует. Что ж мы остаемся?
– Напротив, все, кажется, благополучно, ma cousine, – сказал Пьер с тою привычкой шутливости, которую Пьер, всегда конфузно переносивший свою роль благодетеля перед княжною, усвоил себе в отношении к ней.
– Да, это благополучно… хорошо благополучие! Мне нынче Варвара Ивановна порассказала, как войска наши отличаются. Уж точно можно чести приписать. Да и народ совсем взбунтовался, слушать перестают; девка моя и та грубить стала. Этак скоро и нас бить станут. По улицам ходить нельзя. А главное, нынче завтра французы будут, что ж нам ждать! Я об одном прошу, mon cousin, – сказала княжна, – прикажите свезти меня в Петербург: какая я ни есть, а я под бонапартовской властью жить не могу.
– Да полноте, ma cousine, откуда вы почерпаете ваши сведения? Напротив…
– Я вашему Наполеону не покорюсь. Другие как хотят… Ежели вы не хотите этого сделать…
– Да я сделаю, я сейчас прикажу.
Княжне, видимо, досадно было, что не на кого было сердиться. Она, что то шепча, присела на стул.
– Но вам это неправильно доносят, – сказал Пьер. – В городе все тихо, и опасности никакой нет. Вот я сейчас читал… – Пьер показал княжне афишки. – Граф пишет, что он жизнью отвечает, что неприятель не будет в Москве.
– Ах, этот ваш граф, – с злобой заговорила княжна, – это лицемер, злодей, который сам настроил народ бунтовать. Разве не он писал в этих дурацких афишах, что какой бы там ни был, тащи его за хохол на съезжую (и как глупо)! Кто возьмет, говорит, тому и честь и слава. Вот и долюбезничался. Варвара Ивановна говорила, что чуть не убил народ ее за то, что она по французски заговорила…
– Да ведь это так… Вы всё к сердцу очень принимаете, – сказал Пьер и стал раскладывать пасьянс.
Несмотря на то, что пасьянс сошелся, Пьер не поехал в армию, а остался в опустевшей Москве, все в той же тревоге, нерешимости, в страхе и вместе в радости ожидая чего то ужасного.
На другой день княжна к вечеру уехала, и к Пьеру приехал его главноуправляющий с известием, что требуемых им денег для обмундирования полка нельзя достать, ежели не продать одно имение. Главноуправляющий вообще представлял Пьеру, что все эти затеи полка должны были разорить его. Пьер с трудом скрывал улыбку, слушая слова управляющего.
– Ну, продайте, – говорил он. – Что ж делать, я не могу отказаться теперь!
Чем хуже было положение всяких дел, и в особенности его дел, тем Пьеру было приятнее, тем очевиднее было, что катастрофа, которой он ждал, приближается. Уже никого почти из знакомых Пьера не было в городе. Жюли уехала, княжна Марья уехала. Из близких знакомых одни Ростовы оставались; но к ним Пьер не ездил.
В этот день Пьер, для того чтобы развлечься, поехал в село Воронцово смотреть большой воздушный шар, который строился Леппихом для погибели врага, и пробный шар, который должен был быть пущен завтра. Шар этот был еще не готов; но, как узнал Пьер, он строился по желанию государя. Государь писал графу Растопчину об этом шаре следующее:
«Aussitot que Leppich sera pret, composez lui un equipage pour sa nacelle d'hommes surs et intelligents et depechez un courrier au general Koutousoff pour l'en prevenir. Je l'ai instruit de la chose.
Recommandez, je vous prie, a Leppich d'etre bien attentif sur l'endroit ou il descendra la premiere fois, pour ne pas se tromper et ne pas tomber dans les mains de l'ennemi. Il est indispensable qu'il combine ses mouvements avec le general en chef».
[Только что Леппих будет готов, составьте экипаж для его лодки из верных и умных людей и пошлите курьера к генералу Кутузову, чтобы предупредить его.
Я сообщил ему об этом. Внушите, пожалуйста, Леппиху, чтобы он обратил хорошенько внимание на то место, где он спустится в первый раз, чтобы не ошибиться и не попасть в руки врага. Необходимо, чтоб он соображал свои движения с движениями главнокомандующего.]
Возвращаясь домой из Воронцова и проезжая по Болотной площади, Пьер увидал толпу у Лобного места, остановился и слез с дрожек. Это была экзекуция французского повара, обвиненного в шпионстве. Экзекуция только что кончилась, и палач отвязывал от кобылы жалостно стонавшего толстого человека с рыжими бакенбардами, в синих чулках и зеленом камзоле. Другой преступник, худенький и бледный, стоял тут же. Оба, судя по лицам, были французы. С испуганно болезненным видом, подобным тому, который имел худой француз, Пьер протолкался сквозь толпу.
– Что это? Кто? За что? – спрашивал он. Но вниманье толпы – чиновников, мещан, купцов, мужиков, женщин в салопах и шубках – так было жадно сосредоточено на то, что происходило на Лобном месте, что никто не отвечал ему. Толстый человек поднялся, нахмурившись, пожал плечами и, очевидно, желая выразить твердость, стал, не глядя вокруг себя, надевать камзол; но вдруг губы его задрожали, и он заплакал, сам сердясь на себя, как плачут взрослые сангвинические люди. Толпа громко заговорила, как показалось Пьеру, – для того, чтобы заглушить в самой себе чувство жалости.
– Повар чей то княжеский…
– Что, мусью, видно, русский соус кисел французу пришелся… оскомину набил, – сказал сморщенный приказный, стоявший подле Пьера, в то время как француз заплакал. Приказный оглянулся вокруг себя, видимо, ожидая оценки своей шутки. Некоторые засмеялись, некоторые испуганно продолжали смотреть на палача, который раздевал другого.
Пьер засопел носом, сморщился и, быстро повернувшись, пошел назад к дрожкам, не переставая что то бормотать про себя в то время, как он шел и садился. В продолжение дороги он несколько раз вздрагивал и вскрикивал так громко, что кучер спрашивал его:
– Что прикажете?
– Куда ж ты едешь? – крикнул Пьер на кучера, выезжавшего на Лубянку.
– К главнокомандующему приказали, – отвечал кучер.
– Дурак! скотина! – закричал Пьер, что редко с ним случалось, ругая своего кучера. – Домой я велел; и скорее ступай, болван. Еще нынче надо выехать, – про себя проговорил Пьер.