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 Ey в направлении, перпендикулярном магнитному полю Н2 и току jx: Ey=jxрху. 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 lф, на несколько порядков величины превышающие длину свободного пробега l. Магнитное поле, перпендикулярное плоскости их движения, изменяет фазу электронной волны на величину 2πΗd20, связанную с магнитным потоком через площадь траекторий с самопересечением, где Ф0 - квант магнитного потока, d - характерный размер петли самопересечения (lф > 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 lф (смотри Мезоскопика).

Реклама

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: Ei= ∑ρikjk; удельное сопротивление pik = pik (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 pxy). В квазиодномерных проводниках в сильном магнитном поле возникает каскад фазовых переходов, связанный с периодической перестройкой Ферми-поверхности магнитным полем, также сопровождающийся квантованием рху.

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.        

В. М. Пудалов.