Zyklotronresonanz

Zyklotronresonanz,

 

diamagnetische Resonạnz, allgemein die resonante Absorption elektromagnetischer Strahlung durch geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, die sich in einem statischen homogenen Magnetfeld bewegen; im engeren Sinn Bezeichnung für eine Methode der Festkörperphysik zur Bestimmung der effektiven Masse von Ladungsträgern in Metallen und Halbleitern und zur Untersuchung der Energiebänder. Die quasifreien Elektronen und Löcher bewegen sich bei Proben in einem homogenen statischen Magnetfeld der Flussdichte B (Magnetfeldrichtung parallel zur Probenoberfläche) auf Zyklotronbahnen. Deren Radius beträgt bei Flussdichten von 1 Tesla etwa 10^-2 mm und ist in reinen Metallen bei tiefen Temperaturen größer als die Eindringtiefe von Mikrowellen im GHz-Bereich (etwa 10^-4 mm). Daher unterliegen die Elektronen und Löcher in Metallen einem Mikrowellenfeld (elektrische Feldstärke E parallel zur Probenoberfläche sowie parallel oder senkrecht zu B linear polarisiert) nur auf einem kleinen Teil ihrer Umlaufbahn. Nur wenn sie stets bei derselben Phase des Hochfrequenzfelds im Bereich von dessen Eindringtiefe ankommen, d. h., wenn dessen Frequenz mit ihrer Zyklotronfrequenz oder einem Vielfachen davon übereinstimmt (Azbel-Kaner-Resonanz), werden sie durch das Feld beschleunigt.

 

In Halbleitern kann bei geringer Ladungsträgerkonzentration die Eindringtiefe der Mikrowellen so groß werden, dass auf der gesamten Zyklotronbahn ein homogenes elektrisches Feld auf die Ladungsträger wirkt. Diese werden auf Spiralbahnen um die Richtung des Magnetfelds B beschleunigt, wenn E senkrecht zu B orientiert ist. Resonanzabsorption der Mikrowellenstrahlung ergibt sich immer dann, wenn Mikrowellenfrequenz ω und Magnetfeld in einem geeigneten Verhältnis stehen; die jeweiligen Daten führen gemäß ω / B = e / m* zu den effektiven Massen m* (e Elementarladung, B = |B| ).