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文档简介
ExperimentalmethodsinfermisurfacestudiesExperimentalmethods:magnetoresistanceanomalousskineffectcyclotronresonancemagneto-acousticgeometriceffectsShubnikow-deHaaseffectdeHaas-vanAlpheneffectdeHaas-vanAlpheneffectexhibitsverywellthecharacteristicperiodicityin1/Bofthepropertiesofametalinauniformmagneticfield.费米面研究中的试验方法Quantizationoforbitsinamagneticfieldthekineticmomentum:
thepotentialmomentum:
(22)
(23)
费米面研究中的试验方法Quantizationoforbitsinamagneticfield
(24)Theequationofmotionofaparticleofchargeqinamagneticfieldis
(25a)
Thusoneofthepathintegralsin(24)is
(25b)
费米面研究中的试验方法Theotherpathintegralin(24)isQuantizationoforbitsinamagneticfield
(25c)
Thus
(26)Thetotalmagneticflux
(27)
费米面研究中的试验方法Quantizationoforbitsinamagneticfield
(28)Itfollowsthat
(29)
(30)费米面研究中的试验方法QuantizationoforbitsinamagneticfieldTheareasareequalwhen
(31)Equalincrementsof1/Breproducesimilarorbits.ThepopulationoforbitsonorneartheFermisurfaceoscillatesasBisvaried,causingawidevarietyofeffects.
费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectThedeHaas-vanAlpheneffectistheoscillationofthemagneticmomentofametalasafunctionofthestaticmagneticfieldintensity.Theeffectcanbeobservedinpurespecimensatlowtemperaturesinstrongmagneticfields.foratwo-dimensional(2D)system(absolutezero):Theareabetweensuccessiveorbits:
(32)
费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectThenumberoffreeelectronorbitalsthatcoalesceinasinglemagneticlevelis
(33)
SuchamagneticleveliscalledaLandaulevel.费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectLandaulevelthetotalenergyoftheelectronsraised费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectAllowedelectronorbitalsintwodimensionsTheangularpositionofthepointshasnosignificanceAmagneticfieldnomagneticfieldTheareabetweensuccessivecircles:
Theareaoftheadjacentcircle:
费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectasystemofNelectronsatabsolutezero
partlyfilledentirelyfillednofilledFermilevelmovesdowntothelevelsLandaulevelWhens+1isvacated,theFermilevelmovesdownabruptlytothenextlowerlevels.费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffectTheelectrontransfertolowerLandaulevelscanoccurbecausetheirdegeneracyDincreasesasBisincreased.
AsBisincreasedthereoccurvaluesofBatwhichthequantumnumberoftheuppermostfilledleveldecreasesabruptlybyunity.AtthecriticalmagneticfieldslabeledBsnolevelispartlyoccupiedatabsolutezero,sothat
(34)费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffecttheenergyoftheLandaulevel:
cyclotronfrequency:
Thetotalenergyoftheelectronsinlevelsthatarefullyoccupiedis
(35)Thetotalenergyoftheelectronsinthepartlyoccupiedlevels+1is
(36)费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffect
ThethermalandtransportpropertiesofthemetalalsooscillateassuccessiveorbitallevelscutthroughtheFermilevelwhenthefieldisincreased.费米面研究中的试验方法DeHaas-vanAlphenEffect
ThisoscillatorymagneticmomentoftheFermigasatlowtemperaturesisthedeHaas-vanAlpheneffect.Theoscillationsoccuratequalintervalsof1/Bsuchthat
(37)SistheextremalareaoftheFermisurfacenormaltothedirectionofB.费米面研究中的试验方法Extremalorbits
费米面研究中的试验方法ExtremalorbitsThedominantresponseofthesystemcomesfromextremalorbits.Essentiallyitisaquestionofphasecancellation.Thecontributionsofdifferentnonextremalorbitscancel,butneartheextremathephasevariesonlyslowlyandthereisanetsignalfromtheseorbits.SharpresonancesareobtainedevenfromcomplicatedFermisurfacesbecausetheexperimentselectstheextermalorbits.费米面研究中的试验方法Fermisurfaceofcopper
TheFermisurfaceofcopperisdistinctlynonspherical:eightnecksmakecontactwiththehexagonalfacesofthefirstBrillouinzoneofthefcclattice.
(38)费米面研究中的试验方法FermisurfaceofcopperTheshortestdistanceacrosstheBrillouinzone(thedistancebetweenhexagonalfaces):
Thefreeelectronspheredoesnottouchthezoneboundary,butweknowthatthepresenceofazoneboundarytendstolowerthebandenergyneartheboundary.ThusitisplausiblethattheFermisurfaceshouldneckouttomeettheclosest(hexagonal)facesofthezone.Thesquarefacesofthezonearemoredistant,withseparation12.57/a,andtheFermisurfacedoesnotneckouttomeetthesefaces.费米面研究中的试验方法Example:fermisurfaceofgold
费米面研究中的试验方法Example:fermisurfaceofgold
Anotherextremalorbit:“dog’sbone”It’sareainAuisabout0.4ofthebellyarea.费米面研究中的试验方法
Multiply-connectedholesurfaceofmagnesiuminbands1and2费米面研究中的试验方法MagneticbreakdownElectronsinsufficientlyhighmagneticfieldswillmoveinfreeparticleorbits.Herethemagneticforcesaredominant,andthelatticepotentialisaslightperturbation.Theeventualbreakdownofthisdescriptionasthemagneticfieldisincreasediscalledmagneticbreakdown.
费米面研究中的试验方法Theonsetofmagneticbreakdownwillberevealedbyphysicalpropertiessuchasmagnetoresistancethatdependsensitivelyonth
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