Книга представляет собой монографию, посвящённую распространению волн и взаимодействиям в электронной плазме твёрдых тел. Её авторы — известные американские физики-теоретики — внесли значительный вклад в развитие этой области.

Монография содержит последовательное изложение теории коллективных возбуждений в системе взаимодействующих электронов и обсуждение наиболее важных экспериментальных результатов. Первая часть книги посвящена описанию продольных плазменных волн в металлах и полупроводниках, а вторая — описанию низкочастотных электромагнитных волн, которые могут распространяться в металлах в магнитном поле при низких температурах.

Книга представит интерес для широкого круга научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов, специализирующихся в области физики твёрдого тела.

Последние полтора десятилетия ознаменовались бурным развитием исследований плазменных явлений в твёрдых телах. Изучению этих явлений посвящено более тысячи работ. Наряду с развитием теоретических исследований был накоплен богатый экспериментальный материал. Возникла новая область физики — физика плазмы твёрдого тела. Отдельные аспекты поведения твердотельной плазмы были освещены в специальных обзорах и некоторых монографиях по физике твёрдого тела, однако нужно было ещё объяснить всю совокупность плазменных явлений с единой точки зрения. Этой цели и служит настоящая монография, в которой рассматриваются коллективные явления в электронной плазме твёрдых тел.

Стиль изложения ясный и чёткий. Оставаясь последовательным и строгим, он отличается экономным использованием математического аппарата. Наряду с теоретическим рассмотрением явлений приводятся экспериментальные методы их изучения и даётся детальное сопоставление теоретических и экспериментальных результатов. Большое внимание уделяется обсуждению того, какая информация о свойствах электронов в проводниках может быть получена в результате изучения коллективных явлений. Подробно анализируются различные модели и приближения, применяемые для описания системы взаимодействующих электронов.

Первые пять глав книги посвящены высокочастотным коллективным возбуждениям в плазме металлов и полупроводников. Начало изучения коллективных явлений в твёрдых телах относится к тридцатым годам, когда Р. Вуд впервые наблюдал прохождение ультрафиолетового излучения сквозь тонкие плёнки натрия. Этот эффект, получивший название диэлектрической аномалии, был объяснён Р. Кронигом на основе представлений об электронах проводимости как о плазме свободных заряженных частиц. Следующий важный шаг был сделан в конце сороковых годов Г. Рутеманом и В. Лангом, которые обнаружили резонансную структуру в спектре потерь энергии быстрых электронов, прошедших через алюминиевую фольгу. Теоретическое объяснение было дано затем Д. Бомом и Д. Пайнсом. Они показали, что эта резонансная структура обусловлена возбуждением продольных плазменных волн (плазмонов), аналогичных колебаниям электронной плотности в газовом разряде, изученным ранее Л. Тонксом и И. Ленгмюром. Значительный прогресс в изучении высокочастотных плазмонов в металлах был достигнут в шестидесятых годах, когда был измерен спектр потерь энергии быстрых электронов при различных углах рассеяния. Развитие лазерной техники обусловило возможность изучения низкочастотных плазмонов в полупроводниках с помощью неупругого рассеяния инфракрасного света. Этот метод оказался исключительно эффективным для полупроводников. Применение его для исследования плазмонов в металлах требует использования источников жёсткого рентгеновского излучения. Первые такие эксперименты были выполнены в последние годы, однако их описание в настоящей монографии отсутствует.

Спектр плазмонов начинается с плазменной (или ленгмюровской) частоты, которая для металлов лежит в ультрафиолетовом диапазоне. Эта же частота определяет границу, ниже которой электромагнитные волны отражаются от металла и имеет место скин-эффект. В микроволновом и радиочастотном диапазонах диэлектрические свойства электронной плазмы металлов определяются проводимостью, которая соответствует сильному поглощению электромагнитного поля электронами. Существование скин-эффекта в этих условиях представлялось настолько очевидным, что вопрос о возможности распространения низкочастотных электромагнитных волн в металлах в течение долгого времени даже не ставился. В 1960 г. О. В. Константинов и В. И. Перель обратили внимание на то, что ситуация может быть иной при гелиевых температурах, если чистый металл поместить в сильное магнитное поле. Они показали, что вдоль магнитного поля в щелочных металлах могут распространяться волны с круговой поляризацией, получившие в дальнейшем название геликонов. Подобные волны хорошо известны в газовой плазме, однако из-за исключительно высокой проводимости металлов существовал психологический барьер, который долгое время мешал постановке вопроса о распространении в них электромагнитных волн. В 1961 г. Р. Бауэрс, С. Ледженди и Ф. Роуз экспериментально обнаружили геликоны в натрии, после чего началось интенсивное изучение низкочастотных волн в металлах. Было теоретически изучено и экспериментально обнаружено несколько различных типов волн. Общая причина их существования состоит в том, что поглощение волны электронами в магнитном поле имеет резонансный характер. В металлах наблюдаются парамагнитный резонанс, циклотронный резонанс Азбеля-Канера и допплер-сдвинутый циклотронный резонанс. Поглощение волнового поля в области этих резонансов резко возрастает, а вдали от них сильно падает и оказывается много меньше, чем в отсутствие магнитного поля. В соответствии с соотношениями Крамерса-Кронига наличие резких максимумов в поглощении приводит к сильной дисперсии диэлектрической проницаемости плазмы в окрестности соответствующих резонансов. В результате диэлектрическая проницаемость оказывается в основном вещественной и — по одну сторону от резонанса — положительной величиной. Это и приводит к возможности распространения электромагнитных волн различных типов. В настоящее время хорошо изучены геликонные и циклотронные волны, которые связаны с циклотронным резонансом, допплероны, обусловленные допплер-сдвинутым циклотронным резонансом, и спиновые волны, обусловленные спиновым резонансом электронов проводимости.

Спиновые волны в немагнитных металлах занимают особое место среди других типов электромагнитных волн. В то время как волны других типов могут распространяться и в газе невзаимодействующих электронов, спиновые волны существуют лишь при наличии ферми-жидкостного межэлектронного взаимодействия. Спиновые волны в немагнитных металлах были предсказаны В. П. Силиным в 1958 г. и экспериментально обнаружены Ш. Шульцем и Г. Данифером в 1967 г.

В монографии Ф. Платцмана и П. Вольфа описаны геликонные, циклотронные и спиновые волны в щелочных металлах, но отсутствует описание допплеронов. Существование последних было установлено сравнительно недавно, однако в настоящее время они уже хорошо изучены и теоретически и экспериментально. В отличие от геликонов и циклотронных волн допплероны могут распространяться только в сильно вырожденной плазме; они свойственны металлам и не имеют аналогов в газовой плазме. Допплероны занимают существенное место среди других типов волн, и отсутствие их описания создаёт пробел в общей картине электромагнитных волн в металлах. Чтобы заполнить этот пробел, в дополнении мы кратко описали физическую природу и основные свойства допплеронов.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В. Г. Скобов

Книги на ту же тему

1. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках, Басс Ф. Г., Бочков В. С, Гуревич Ю. Г., 1984
2. Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами, Шёлль Э., 1991
3. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками, Басс Ф. Г., Булгаков А. А., Тетервов А. П., 1989
4. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках, Пожела Ю. К., 1977
5. Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда, Басс Ф. Г., Гуревич Ю. Г., 1975
6. Новые методы полупроводниковой СВЧ-электроники. Эффект Ганна и его применение, 1968
7. Основы статистической физики материалов: Учебник, Дмитриев А. В., 2004
8. Теория квантовых жидкостей: Нормальные ферми-жидкости, Пайнс Д., Нозьер Ф., 1967
9. Волны в магнитоактивной плазме. — 2-е изд., перераб., Гинзбург В. Л., Рухадзе А. А., 1975
10. Микроволновая диагностика плазмы, Хилд М., Уортон С., 1968
11. Волны в анизотропной плазме, Эллис В., Буксбаум С., Берс А., 1966
12. Волны в магнитоактивной плазме, Гинзбург В. Л., Рухадзе А. А., 1970
13. Распространение электромагнитных волн в плазме, Гинзбург В. Л., 1960
14. Коллективные явления в плазме. — 2-е изд., испр. и доп., Кадомцев Б. Б., 1988