Магнитная фокусировка — концентрация потока электронов (квазичастиц) из одного точечного контакта в другой с помощью магнитного поля. Электроны в металлах можно рассматривать как квазичастицы свободно движущиеся в кристалле, подобно свободным электронам. Значит на их движение должно влиять внешнее магнитное поле по аналогии с пучками заряженных частиц в вакууме. Фокусировка электронов в чистых материалах (монокристаллах), где их длина свободного пробега сравнима с расстоянием между контактами, позволяет исследовать рассеяние локализованных в одной точке поверхности Ферми группы квазичастиц.
Качественное объяснение
Продольная фокусировка
Возможность осуществления магнитной фокусировки в твёрдом теле предположил Ю. В. Шарвин в 1965 году, который совместно с Л. М. Фишером позже наблюдал продольную (магнитное поле параллельно линии, соединяющей контакты) электронную фокусировку в тонкой металлической плёнке. В их эксперименте два микроконтакта эмиттер и коллектор располагались напротив друг друга на разных сторонах тонкой металлической плёнки (Рис. 1).
При продольной фокусировке величина магнитного поля , при котором электроны, вылетевшие из эмиттера , фокусируются на коллекторе , определяется из условия кратности периоду движения времени движения из контакта в контакт,
где — расстояние между контактами (толщина пластины), а =2π/ωc определеяется циклотронной частотой — , c — циклотронная масса, H — составляющая скорости электрона вдоль магнитного поля, n=1,2,3….
На коллекторе фокусируется максимальное число электронов при экстремальных значениях его смещения вдоль магнитного поля за период
где — сечение поверхности Ферми плоскостью постоянного значения импульса электрона вдоль магнитного поля . Соответственно, особенности на зависимости потенциала на коллекторе от магнитного поля возникают в особых точках функции , для которых вторая производная обращается в ноль . Кроме того, число фокусируемых электронов максимально для краевых значений , соответствующих эллиптическим точкам экстремума на поверхности Ферми, в которых , а , где — гауссова кривизна.
Поперечная фокусировка
Электронный транспорт в поперечном магнитном поле впервые рассмотрел Брайан Пиппард 1965 году. Однако его метод не использовал точечные контакты. Современная реализация магнитной фокусировки электронов в металле с двумя микроконтактами была предложена В. С. Цоем в 1974 году. В геометрии экспериментов В. С. Цоя по поперечной магнитной фокусировке два точечных контакта располагаются на одной поверхности металла, а магнитное поле параллельно поверхности и направлено перпендикулярно соединяющей контакты линии (Рис. 2).
При поперечной фокусировке электроны, инжектированные эмиттером , фокусируются на коллекторе , если на расстоянии между контактами укладывается целое число хорд сегментов траекторий электронов , «скачущих» вдоль поверхности, , а дрейф орбиты вдоль магнитного поля отсутствует, , где , — хорда поверхности Ферми в направлении нормали к границе, — фаза электрона на циклотронной траектории, с которой электрон «стартует» из эмиттера.
Число попадающих в коллектор электронов максимально, если условие поперечной фокусировки выполнено для носителей заряда, соответствующих экстремальному диаметру поверхности Ферми , для которого .
Двумерные системы Впервые магнитная фокусировка электронов в думерной системе наблюдалась в 1989 году в гетероструктуре с двумерным электронным газом на основе GaAs/AlGaAs. В работе использовалась система квантовых точечных контактов для измерения нелокального электронного транспорта в четырёхконтактных образцах.
Магнитная фокусировка (электронов или дырок) может наблюдаться в графене, двухслойном графене и трёхслойном графене, где позволяет исследовать зонную структуру материала.
Примечания Комментарии
Источники
Литература
Категория:Физика твёрдого тела