Гальваномагнитные явления

ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, явления, возникающие в результате действия магнитного поля на электрические свойства материалов (металлов, полупроводников), по которым протекает электрический ток. При приложении магнитного поля напряжённостью Н к материалу в нём изменяется электрическое сопротивление либо возникает дополнительное электрическое поле при протекании электрического тока плотностью j. Различают симметричные и антисимметричные гальваномагнитные явления, которые соответственно не меняют или меняют знак при изменении направления магнитного поля. Важный пример антисимметричных гальваномагнитных явлений - Холла эффект, т. е. возникновение напряжённости электрического поля E_y в направлении, перпендикулярном магнитному полю Н₂ и току j_x: E_y=j_xр_ху. Пример симметрических гальваномагнитных явлений - магнитосопротивление (MC), т. е. зависимость удельного сопротивления р материалов от магнитного поля: р = р(Н).

По физическому механизму гальваномагнитные явления разделяют на классические, квазиклассические и квантовые. В квантовых гальваномагнитных явлениях магнитное поле влияет на волновые свойства электронов (фазу) и, таким образом, на результирующую интерференцию электронных волн. В чистых проводниках при низких температурах электроны распространяются когерентно на большие расстояния l_ф, на несколько порядков величины превышающие длину свободного пробега l. Магнитное поле, перпендикулярное плоскости их движения, изменяет фазу электронной волны на величину 2πΗd²/Ф₀, связанную с магнитным потоком через площадь траекторий с самопересечением, где Ф₀ - квант магнитного потока, d - характерный размер петли самопересечения (l_ф > d > l). Ввиду малости Ф₀ ≈ 2,068 Вб в самых слабых полях первым проявляется MC квантовой природы, связанное с разрушением в интерференции электронных волн и исчезновением соответствующей квантовой поправки к проводимости. Интерференционные гальваномагнитные явления особо важны в мезоскопических проводящих кольцах с размерами L, меньшими l_ф (смотри Мезоскопика).

При увеличении напряжённости магнитного поля, когда Н >> Ф₀/l₂, квантовые интерференционные эффекты исчезают и в гальваномагнитных явлениях преобладают классические и квазиклассические эффекты. В классических гальваномагнитных явлениях роль магнитного поля заключается в искривлении траекторий движения электронов в веществе под действием магнитного поля (смотри Лармора прецессия). Наиболее важные примеры - монотонное MC металлов и полуметаллов, а также эффект Холла. При достаточно слабых плотностях тока в материале справедлива линейная связь между напряжённостью электрического поля Е и плотностью тoкa j: E_i= ∑ρ_ikj_k; удельное сопротивление p_ik = p_ik (H) зависит от магнитного поля и в общем случае является анизотропным. При дальнейшем увеличении магнитного поля преобладают квазиклассические эффекты. Наиболее важные примеры - Шубникова - де Хааза эффект, циклотронный резонанс.

В ещё большем магнитном поле уровни Ландау разделяются, между ними возникает энергетическая щель; в двумерных и слоистых проводниках, в которых движение вдоль направления магнитного поля ограничено толщиной проводника, щель в спектре приводит к квантовому эффекту Холла (квантованию p_xy). В квазиодномерных проводниках в сильном магнитном поле возникает каскад фазовых переходов, связанный с периодической перестройкой Ферми-поверхности магнитным полем, также сопровождающийся квантованием р_ху.

В полупроводниках магнитное поле влияет не только на энергетический спектр электронов в зоне проводимости, но и на примесные состояния. Это приводит к значительному вкладу в MC - так называемому магнитному вымораживанию (уменьшению концентрации носителей в зоне проводимости) и к сильному, экспоненциально зависящему от Н, MC в режиме прыжковой проводимости.

Перечисленные гальваномагнитные явления связаны с орбитальным движением электронов. Помимо этого, существуют гальваномагнитные явления, связанные с влиянием магнитного поля на спин электронов вследствие зеемановской энергии спина в магнитном поле (смотри Зеемана эффект). Спиновые гальваномагнитных явлений проявляются, например, при распространении электронов через контакт двух ферромагнетиков с разными направлениями вектора намагниченности или через контакт ферромагнитного и немагнитного материалов. Последние явления приводят, в частности, к гигантскому MC в слоистых структурах, которое используется в устройствах считывания информации с магнитных дисков. Другим примером спиновых гальваномагнитных явлений является MC тонких плёнок или слоёв проводника и полупроводника с толщиной порядка фермиевской длины волны электрона в магнитном поле, параллельном плоскости плёнки (орбитальные гальваномагнитных явлений в них подавлены из-за малой толщины плёнки). Гальваномагнитные  явления спиновой природы в немагнитных проводниках связаны с возникающим в магнитном поле различием характерной кинетической энергии и характерного импульса электронов в двух спиновых подзонах (с проекцией спинов вдоль и против направления магнитного поля); это различие приводит к изменению межэлектронного взаимодействия и, как следствие, к изменению электрической проводимости.

Лит.: Лифшиц И. М., Азбель М. Я., Каганов М. И. Электронная теория металлов. М., 1971; Зеегер К. Физика полупроводников. М., 1977; Шкловский Б. И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М., 1979; Абрикосов А. А. Основы теории металлов. М., 1987.