Колебания электронной плотности в плазме и эффект отрицательной массы
Plasma oscillation
Плазменные колебания (волны Лангмюра): быстрые колебания электронной плотности в плазме и металлах. Открытие – И. Лангмюр, Л. Тонкс. Частота зависит от длины волны.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Плазменные колебания, также известные как волны Лангмуара (в честь Ирвинга Лангмуара), — это быстрые колебания плотности электронов в проводящих средах, таких как плазма или металлы, в ультрафиолетовом диапазоне. Эти колебания можно описать как неустойчивость диэлектрической проницаемости свободного электронного газа. Частота колебаний слабо зависит от длины волны. Квазичастица, возникающая при квантовании этих колебаний, называется плазмоном. Волны Лангмуара были открыты американскими физиками Ирвингом Лангмуаром и Леви Тонксом в 1920-х годах. Они аналогичны по форме волнам неустойчивости Джинса, которые обусловлены гравитационной неустойчивостью в статической среде.
Rapid oscillations of electron densityPlasma oscillations, also known as Langmuir waves (after Irving Langmuir), are rapid oscillations of the electron density in conducting media such as plasmas or metals in the ultraviolet region. The oscillations can be described as an instability in the dielectric function of a free electron gas. The frequency depends only weakly on the wavelength of the oscillation. The quasiparticle resulting from the quantization of these oscillations is the plasmon. Langmuir waves were discovered by American physicists Irving Langmuir and Lewi Tonks in the 1920s. They are parallel in form to Jeans instability waves, which are caused by gravitational instabilities in a static medium.
Механизм
Рассмотрим электрически нейтральную плазму в равновесии, состоящую из газа положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Если сместить электрон или группу электронов на небольшое расстояние относительно ионов, сила Кулона потянет электроны обратно, действуя как сила возврата.
Consider an electrically neutral plasma in equilibrium, consisting of a gas of positively charged ions and negatively charged electrons. If one displaces by a tiny amount an electron or a group of electrons with respect to the ions, the Coulomb force pulls the electrons back, acting as a restoring force.
Колебания плазмы и влияние отрицательной массы
Колебания плазмы могут приводить к эффекту "отрицательной массы". Механическая модель, приводящая к эффекту отрицательной эффективной массы, изображена на Рисунке 1. Ядро с массой *m* соединено внутри через пружину с коэффициентом упругости *k* с оболочкой с массой *M*. Система подвергается внешнему синусоидальному воздействию. Если решить уравнения движения для масс *m* и *M* и заменить всю систему на одну эффективную массу *m<sub>eff</sub>*, то получим: отрицательная масса возникает в результате колебаний металлической частицы с частотой, близкой к частоте плазменных колебаний электронного газа относительно ионной решетки. Плазменные колебания представлены упругой пружиной, где *ω<sub>p</sub>* – частота плазмы. Таким образом, металлическая частица, колеблющаяся с внешней частотой *ω*, описывается эффективной массой, которая становится отрицательной, когда частота *ω* приближается к *ω<sub>p</sub>* сверху. Сообщалось о метаматериалах, использующих эффект отрицательной массы вблизи плазменной частоты.
Plasma oscillations may give rise to the effect of the “negative mass”. The mechanical model giving rise to the negative effective mass effect is depicted in Figure 1. A core with mass is connected internally through the spring with constant to a shell with mass The system is subjected to the external sinusoidal force If we solve the equations of motion for the masses and and replace the entire system with a single effective mass we obtain: The negative mass appears as a result of vibration of a metallic particle with a frequency of which is close the frequency of the plasma oscillations of the electron gas relatively to the ionic lattice The plasma oscillations are represented with the elastic spring , where is the plasma frequency. Thus, the metallic particle vibrated with the external frequency ω is described by the effective mass
which is negative when the frequency approaches from above. Metamaterials exploiting the effect of the negative mass in the vicinity of the plasma frequency were reported.