Zyklotronresonanz

Zyklotronresonanz bezeichnet die resonante Absorption elektromagnetischer Wellen durch geladene Teilchen (z.B. durch Elektronen in leitenden Medien), die sich in einem konstanten Magnetfeld befinden. Der Name leitet sich vom Zyklotron, einem Teilchenbeschleuniger ab; dort werden die Teilchen durch Anlegen eines elektrischen Felds mit der Zyklotronfrequenz beschleunigt.

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In Plasmen kann die Zyklotronresonanz der Elektronen dazu verwendet werden, Energie in das Plasma einzukoppeln, also die kinetische Energie der Elektronen zu erhöhen und so das Plasma zu „heizen“ (Elektron-Zyklotron-Resonanz, EZR; engl. ECR). Dieses Verfahren wird in EZR-Ionenquellen und in Versuchen zur Kernfusion verwendet.

Die Untersuchung der Zyklotronresonanz der Elektronen (oder „Löcher“ eines Materials ist auch eine Methode der Festkörperphysik zur Bestimmung der effektiven Masse der Ladungsträger.

Theoretische Grundlage

Ohne elektrisches Feld wirkt auf ein Elektron (Ladung -e) mit der Geschwindigkeit v im Magnetfeld B ausschließlich die Lorentz-Kraft

Ein freies Elektron folgt einer kreisförmigen Bahn oder einer Schraubenlinie; die Zyklotronfrequenz ist die Frequenz des Umlaufs des Elektrons.

Im Festkörper ist die Geschwindigkeit durch die Dispersionsrelation, also durch die Energie E und den Wellenvektor gegeben:

Das Elektron erfährt also eine Kraft, die senkrecht zum Magnetfeld und im k-Raum senkrecht zum Gradienten der E(k)-Fläche steht. Es bewegt sich somit auf einer Fläche konstanter Energie. Dies kann man natürlich auch aus Gründen der Energieerhaltung schließen, da ein zeitlich konstantes Magnetfeld keine Energieänderung des abgelenkten Teilchens bewirkt. Im Festkörper bleibt ein Elektron bei seiner Bewegung auf der Fermi-Fläche.

Unter Annahme eines freien Elektronengases, ergibt sich daraus die klassische Zyklotronfrequenz, bei der jedes Elektron die gleiche Umlaufzeit besitzt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Um einen allgemein gültigen Ausdruck für die Umlauffrequenz zu erhalten, muss daher die Masse des Teilchens durch die effektive Masse m ^* des Teilchens ersetzt werden. Damit ergibt sich

.

Zyklotronresonanz in der Festkörperphysik

Eine Kristallprobe, die sich bei tiefen Temperaturen (ca. 4 Kelvin) in einem statischen Magnetfeld B befindet, wird mit Radiowellen bestrahlt. Die Radiowellen beschleunigen die Ladungsträger, die durch das Magnetfeld zu Spiralbahnen abgelenkt werden. Die Absorption der Wellen wird maximal, wenn die Frequenz der Radiowelle gleich oder ein Vielfaches der Zyklotronfrequenz ist:

Bei bekannter Magnetfeldstärke lässt sich damit die effektive Masse m ^* des Ladungsträgers ablesen.

Bei einem Halbleiter muss die Probe zusätzlich mit Licht bestrahlt werden, dessen Photonen eine ausreichend große Energie besitzen, um die Elektronen in das Leitungsband zu heben.

Literatur

• Bernard Sapoval, Claudine Hermann: Physics of Semiconductors, Springer Verlag, 2005. ISBN 0387406301
• Konrad Kopitzki: Einführung in die Festkörperphysik, Teubner Verlag, 2004. ISBN 3519430835