Влияние магнитного поля на время релаксации в висмуте при межзонных переходах на уровнях Ландау Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

УДК 539.2:535.343.2

О. В. Кондаков, К. Г. Иванов, Ю. И. Прокофьев, Н. И. Жаворонков

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ВРЕМЯ РЕЛАКСАЦИИ В ВИСМУТЕ ПРИ МЕЖЗОННЫХ ПЕРЕХОДАХ НА УРОВНЯХ ЛАНДАУ

В импульсных магнитных полях наблюдались квантовые осцилляции прохождения излучения лазера с длиной волны 10,6 мкм через волновод, представляющий собой два монокристалла висмута, разделенных зазором, сравнимым с длиной волны излучения. Показано, что магнитное поле при межзонных переходах существенным образом влияет на время релаксации.

Магнитооптический спектр полуметалла висмута, полученный при направлении вектора магнитной индукции вдоль падающего излучения и под углом 2° к биссекторной оси в базисной плоскости приведен на рисунке 1. Сплошной линией указаны экспериментальные результаты, а пунктирной линией - численный расчет. Циклотронные массы, использованные для моделирования формы экспериментальной линии, незначительно отличаются от данных, полученных в работе [1] и приведены в таблице 1.

Магнитное поле В, Тл

Рис. 1 Форма линии межзонных оптических переходов в ориентации, когда вектор индукции внешнего магнитного поля направлен вдоль излучения и под углом 2° к биссекторной оси в базисной плоскости Т = 78 К

Таблица 1

Значения параметров, использованные для моделирования формы

экспериментальной линии для случая, когда В составляет угол в 2° к биссекторной оси в базисной плоскости

Квазиэллипсоид а Ь с

тс (эксперимент) со ь 2,80 • 10“3 3 ь 5 ,4 2,

т* (расчет) со ь СП 2,81 • 10-3 2,49 • 10-3

тВ 8,32 • 10“2 2,14 • 10“2 2,14 • 10“2

ъ ^шах 1,77 • 106 8,99 • 105 8,99 • 105

Яуу (110,80) (190,110) (200,120)

Яхх, (110,80) (190,110) (200,120)

Примечание. тс - циклотронная масса на дне зоны проводимости; тв - продольная эффективная масса в массах свободного электрона; |£шах| - максимальное значение проекции волнового вектора вдоль направления индукции магнитного поля (см-1); Ян - фоновые значения компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Модельные линии с большой точностью совпадают с экспериментальной кривой. Ступенчатая структура около В = 1,5 Тл, и слабая осцилляцион-ная особенность в диапазоне полей 2,2-2,5 Тл достоверно описываются в рамках модифицированной модели Бараффа [2].

Незначительное различие циклотронных масс электронов «Ь» и «с» (таблица 1) позволило выявить некоторые новые особенности магнитооптических явлений. Наблюдается ступенчатая зависимость (рис. 2) времени релаксации от величины магнитного поля. В работе [3] такая ступенчатая структура связывалась с тем, что при возрастании магнитного поля увеличиваются энергетические расстояния между соседними уровнями Ландау зоны проводимости, и при некотором значении магнитного поля рассеяние электронов на акустических фононах становится невозможным, что и приводит к увеличению времени релаксации.

В данной работе для электронов «Ь» и «с» (таблица 1) также получена

ступенчатая зависимость времени релаксации от величины магнитного поля.

-13

Однако в полях до 4 Тл время релаксации т = 9 ■ 10 с, а в больших магнитных полях уменьшается примерно в полтора раза.

Объяснение полученных новых результатов видится в следующем. Для случая, когда вектор индукции магнитного поля направлен точно вдоль бис-секторной оси, циклотронные массы электронов, сосредоточенных в экстремумах «Ь» и «с», одинаковы. Погрешность в ориентации монокристаллов относительно магнитного поля может привести к тому, что циклотронные массы электронов будут несколько различаться. При анализе магнитооптических спектров это приводит к уменьшению модельного времени релаксации по отношению к действительному значению этой величины. Для электронов, сосредоточенных в экстремуме «а», не будет наблюдаться уменьшение времени релаксации - максимумы осцилляций просто сдвинутся в большие магнитные поля. Если же вектор индукции магнитного поля ориентирован таким образом, что магнитооптические осцилляции, происходящие от электронов, сосредоточенных в различных экстремумах зоны Бриллюэна, наблюдаются

раздельно, то время релаксации не должно уменьшаться для электронов примерно одинаковых циклотронных масс. Это и дает эксперимент, когда отклонение от биссекторного направления в 2° позволило уверенно выделить три ряда осцилляций.

9

8

я

я

я

Л

О

3

Рч

6

Рч

и

4

7

5

3

- ^ N \ • % \ ■

■ ' % > \ • . Да___ -

■ 4 9 * Ф » * и—

■ 9 9 9 9 9 )-Н сЗ м 1 • 1 1более тж е ы л ё Ьй -

■ 9 9 9 9 9 циклотр< тяж шные мас ёлыВ цик сы, лотронны 1 ы о о а м е

■ 9 $ 9 * * Лё1 кие ЦИКЛ' е ы н н о тр Г\ массы.

0 1 2 3 4 5 6

Магнитное поле В , Тл

Рис. 2 Зависимость времени релаксации от величины магнитного поля, использованная при моделировании формы линии магнитооптического спектра для электронов различных циклотронных масс

Таким образом, исследования в произвольном направлении вектора индукции магнитного поля относительно кристаллографических направлений дают возможность более точно определять время релаксации по сравнению с магнитооптическими исследованиями в основных ориентациях вектора индукции магнитного поля относительно кристаллографических направлений.

Выводы. Как следует из результатов работы, наблюдаемые квантовые осцилляционные эффекты сильно зависят от величины и ориентации магнитного поля благодаря большой анизотропии эффективных масс. Моделирование формы экспериментальной линии позволяет рассчитать время релаксации электронов в зависимости от величины и направления магнитного поля, объяснить полевую зависимость времени релаксации особенностями рассеяния электронов на акустических и оптических фононах в условиях магнитного квантования. Детальное понимание поведения данных параметров позволит оценить перспективы создания лазера, перестраиваемого магнитным полем.

Список литературы

1. Бровко, С. В. Магнитопропускание полосковой линии из висмута / С. В. Бровко, А. А. Зайцев, К. Г. Иванов, О. В. Кондаков ; Елецкий гос. педагог. ин-т. Елец, 1996. - 41 с. Деп. в ВИНИТИ 22.07.96. - № 2492-В96.

2. Vecchi, M. P. Anomalies in the magnetoreflection spectrum of bismuth in the low-quantum-number limit / M. P. Vecchi, J. R. Pereira, M. S. Dresselhaus // Phys. Rev. B. -1976. - V. 4. - № 2. - P. 298-317.

3. Гладких, О. Б. Моделирование оптических переходов электронов в сплавах висмут-сурьма в присутствии квантующего магнитного поля / О. Б. Гладких, О. В. Кондаков, В. В. Токарев // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов : материалы V Международной конференции. - Воронеж. - 2003. - С. 234-236.