Kuris vaikystėje neskaitėme A. Tolstojaus romano „Inžinieriaus Garino hiperboloidas“. Galingas hiperboloido spindulys, kiaurai skrodžiantis ir deginantis visa, kas pasitaiko jo kelyje – rašytojo fantazija, šiuo metu virtusi realybe. Turime sukurtus galingus lazerius. Lazeris – išties neįprastas elektromagnetinių bangų šaltinis. Jei pabandytume gauti siaurą elektros lempos spindulių pluoštelį, praleisdami jį per mažą skylutę, – tai nepavyktų padaryti. Kodėl? Mat tai yra koherentinis bei monochromatinis spinduliavimas, o šviesa lazerio viduje užima erdvę tarp dviejų atspindinčių veidrodžių. Jei dalis šviesos nuo veidrodžių atsispindi, pavyzdžiui, 100 kartų, tai išeinantis iš lazerio šviesos pluoštelis atrodo taip, tarsi jis būtų atėjęs iš taško, kurio nuotolis 100 kartų viršija atstumą tarp veidrodžių ir būtų praėjęs šimtą jį kolimuojančių (siaurinančių) diafragmų. Lazerio spindulys mažai slopsta ore, tačiau į laidžią medžiagą (metalą arba didelio laidumo puslaidininkį) jis, kaip ir kitos elektromagnetinės bangos, prasiskverbia menkai – tik per skinsluoksnį. Jis tuo plonesnis, kuo didesnis medžiagos laidumas bei elektromagnetinės bangos dažnis.

1960 m. tarybiniai mokslininkai O. Konstanfinovas ir I. Perelis įrodė, kad, laidžią medžiagą (metalą, puslaidininkį) patalpinus į pakankamai stiprų nuolatinį magnetinį lauką, ja gali sklisti tam tikros rūšies elektromagnetinė banga – helikoninė, kurią galima stebėti plačiame (103-1011 Hz) dažnių diapazone. Tai plokščia TEM banga, kuri nepasižymi dideliu sklidimo kryptingumu.

1982 m. LTSR MA Puslaidininkių fizikos instituto mokslininkai pastebėjo elektromagnetines magnetoplazmines bangas, primenančias lazerio spindulį ore ir gerai sklindančias puslaidininkyje tame pačiame dažnių diapazone kaip ir helikoninės bangos. Sukūrus mažoje puslaidininkio, patalpinto į nuolatinį magnetinį lauką, srityje kintamą nevienalytį magnetinį arba elektrinį lauką, krūvininkų judėjimas įgauna sūkurinį pobūdį, ir išilgai nuolatinio magnetinio lauko krypties sužadinama lokalinė sūkurinė elektromagnetinė magnetoplazminė banga. Eksperimentu buvo gauta šių bangų dispersija bei laukų pasiskirstymas ir poliarizacija erdvėje. Šios bangos laukų stiprumas kinta pagal Gauso dėsnį, todėl jos buvo pavadintos magnetoplazminiais gausimais pluošteliais (MGP). Lygiai taip pat (pagal Gauso dėsnį) pasiskirstęs ir vienmodžio lazerio laukas, intensyvumas spindulio skerspjūvyje (centre didžiausias, einant į kraštus – eksponentiškai mažėja). Lazerio gausinio ir magnetoplazminio gausimo pluoštelių, elektromagnetinių laukų poliarizacija skiriasi: magnetoplazminis gausinis pluoštelis turi ne tik skersinę, bet ir išilginę kintamojo magnetinio lauko dedamąją. Tokį laukų pasiskirstymą ir poliarizaciją aukštojo dažnio diapazone galima sukurti aksialia simetrine arba linijine simetrine laidininko kilpele. Pasirodė, kad tokiu būdu sužadintas magnetoplazminis gausinis pluoštelis puslaidininkyje sklinda kryptingiau negu lazerio spindulys laisvoje erdvėje. Magnetopiazminio gausinio pluoštelio divergencijos kampas, nusakantis kryptingumą, yra du kartus mažesnis už lazerio. Todėl puslaidininkiu arba metalu patalpintu magnetiniame lauke, slinda elektromagnetinis spindulys, primenantis lazerio spindulį, tiktai daug mažesnio dažnio srityje, nors bangos ilgis gali būti artimas lazerio spinduliuojamam, t. y. gali būti milimetro dalių ilgio. Spindulio kryptį nusako magnetinio lauko kryptis.

Kai puslaidininkio paviršius, prie kurio priglaudžiama siuntimo antena (minėtoji kilpelė), yra išgaubtas, magnetoplazminis gausinis pluoštelis fokusuojamas. Židinio nuotolis priklauso nuo puslaidininkio paviršiaus kreivumo. Pluoštelis fokusuosis ir pats, jeigu į siuntimo anteną ateinantis aukštojo dažnio signalas bus toks didelis, kad bangų sukeltos sūkurinės srovės įkaitins puslaidininkį. Tada bangos laukų srityje padidės krūvininkų koncentracija bei lūžio rodiklis ir pluoštelis bus fokusuojamas. Be to, magnetoplazminis gausinis pluoštelis fokusuosis, jei bus sudarytas nuolatinis magnetinio lauko gradientas skersai pluoštelio sklidimo krypties, t. y. panaudojus magnetinį lęšį. Priežastis ta pati – lūžio rodiklio kitimas.

Praktikai svarbu – mažas pluoštelio slopinimas. Šio spindulio prasiskverbimo į laidžią medžiagą gylis (kaip ir helikoninės bangos) yra proporcingas krūvininkų judrumui bei nuolatinio magnetinio lauko stiprumui. Tačiau pluoštelis gali kelis kartus giliau negu helikoninė banga įsiskverbti į neišsigimusios arba elektronų ir skylių plazmos puslaidininkius. Mat kai helikono atveju išilginių srovių nėra ir laidumo padidėjimas magnetinio lauko kryptimi (pavyzdžiui, dėl skylių įtakos elektronų ir skylių plazmoje arba krūvininkų sklaidos anizotropijos) didina slopinimą, pluoštelio atveju šios srovės yra ir jos (kartu su Holo srovėmis) palaiko bangą.

Šios unikalios magnetoplazminio gausinio pluoštelio savybės – didelis kryptingumas, fokusavimas, mažas slopinimas ir kt. – leidžia plačiai panaudoti jį praktikoje. Pluoštelio bangos ilgis puslaidininkyje aukštojo dažnio diapazone yra keli milimetrai ir fazinis greitis gali būti artimas garso bangos greičiui. Pastaroji pluoštelio savybė ypač viliojanti – galima laukti šios bangos ir laisvųjų krūvininkų srauto sąveikos. Tai reiškia, kad galima sukurti naujo tipo stiprintuvus.

Institute sukurta keletas prietaisų, panaudojant pluoštelį. Aukštojo dažnio kanalų pertraukiklyje ir signalų moduliatoriuje panaudotas magnetoplazminis gausinis pluoštelis, kurio kryptį galima valdyti magnetiniu lauku. Magnetoplazminis gausinis pluoštelis tinka puslaidininkio elektriniams parametrams tirti. Šio pluoštelio aukštojo dažnio laukų fazės pasikeitimas puslaidininkyje arba pluoštelio bangos ilgis priklauso nuo puslaidininkio plokštelės storio, pluoštelio dažnio, nuolatinio magnetinio lauko stiprumo bei krūvininkų koncentracijos. Keičiant magnetinio lauko stiprumą, galima keisti pluoštelio bangos ilgį bei išilginės kintamojo magnetinio lauko dedamosios fazę. Jos pasikeitimą priėmimo antenoje (kilpelėje) per 180° atitinka pluoštelio bangų skaičiaus puslaidininkyje padidėjimas pusbangiu. Taigi, fiksuodami magnetinio lauko vertes, atitinkančias fazės pokytį (lygų 180°), iš bangų dispersijos lygties galima nustatyti krūvininkų koncentraciją. Kadangi magnetoplazminis gausinis pluoštelis gali būti labai siauras, šis metodas leidžia matuoti krūvininkų koncentraciją ilgame (10-20 mm) ir siaurame (apie 1 mm² ploto) kanale. Tai labai svarbu, nes šiuolaikiniai puslaidininkiniai prietaisai labai maži, ir reikia žinoti labai mažų puslaidininkio sričių elektrines savybes.

Tai pagrindinės magnetoplazminio gausimo pluoštelio savybės. Šios neseniai pastebėtos puslaidininkiuose magnetoplazminės elektromagnetinės bangos, be abejo, suras naujas pritaikymo sritis. Ypač įdomaus efekto galima tikėtis, tyrinėjant šių bangų sklidimą anizotropiniais puslaidininkiais, kur pluoštelio sklidimo sąlygos įvairiomis kristalografinėmis kryptimis yra skirtingos. Panašūs pluošteliai turėtų būti sužadinti ir jonosferoje, kaip atmosferikai – helikoninių bangų analogas. Taigi magnetoplazminis gausinis pluoštelis dar laukia savo tyrinėtojų.

Rimvydas Mažeika Rimantas Tolutis

Žurnalas „Mokslas ir Technika”

1986, Nr.1