efekt Halla i jak przestałem być fizykiem

PO "OKRĄGŁYM STOLE"

 

Końcowa dekada PRL była dla mnie wyjątkowo paskudna, a początek III RP nie lepszy. Zawodowo, jako fizyk musiałem zajmować się tym co mnie nie interesowało, ale jednak miałem pracę w swoim zawodzie. Fizyka ciała stałego to nie podstawe prawa przyrody, lecz tak naprawdę, to inżynieria materiałowa ...

Próbowałem wykrzesać odrobinę entuzjazmu i znaleźć coś, co przynajmniej jakoś trochę będzie mnie wciągać... No i znalazłem dwa takie zagadnienia...... Dla przyzwoitości relacji kilka słów o tym czym się zajmowałem, co robić zacząłem....

Poniżej o pierwszym z tych zagadnień. Drugie, w przyszłości opiszę w linku.

Równolegle rozpocząłem podróżowanie po Azji, byłem kilka razy w Indiach, w Nepalu i w Malezji, ale o tym w innym odcinku i zdjęć tam będzie sporo...

Wszystkich których fizyka nie interesuje, namawiam do ominięcia fragmentu bezpośrednio poniżej i przejście do ostatnich akapitów rozdziału, gdzie piszę, jak i dlaczego w III RP przestałem być fizykiem. Tu link do tych ostatnich akapitów.

O pracy naukowej, piszę tu dla rzetelności relacji tego, co wtedy było waże dla mnie, lecz dziś już piszę bez entuzjazmu...

Wracając do fizyki...

Na nośniki prądu płynącego w polu magnetycznym działa siła Lorentza. W półprzewodniku powoduje to powstawanie poprzecznego napięcia U_H, o kierunku prostopadłym do pola magnetycznego i do prądu. Zjawisko to nazywane jest efektem Halla

U_H = R_H IB/a gdzie a jest grubością próbki, I - natężeniem prądu, B - polem magnetycznym, a R_H jest t.z.w. współczynnikiem Halla, zależnym od koncentracji nośników prądu.

W wypadku próbek magnetycznych pojawia się dodatkowy człon:
U_H = R_H IB/a + R_A IM(B)/a - gdzie M(B) jest magnetyzacją próbki zaś R_A jest t.z.w. anomalnym czynnikiem Halla.

Magnetyczne przejścia fazowe przy zmianie temperatury, dające gwałtowne zmiany magnetyzacji, powinny być mierzalne jako zmiany napięcia U_H.

W paramagnetykach, dla słabych pól magnetycznych, magnetyzacja jest liniową funkcją pola
M(B)= χ B, gdzie χ jest podatnością magnetyczną.

W ferromagnetykach mogą tworzyć się obszary o wspólnym kierunku namagnesowania, a magnetyzacja opisywana jest pętlą histerezy.

W obu wypadkach, przy drganiach pola magnetycznego, magnetyzacja przy dużych częstościach może nie nadążać za polem magnetycznym...

Wydawało się interesujące eksperymentalne badanie zależności efektu Halla od częstości drgającego pola magnetycznego w różnych temperaturach. W obszarze paramagnetycznym i uporządkowanym...

Zbudowany został układ do pomiaru efektu Halla z próbką zasilaną zmiennym prądem elektrycznym

I(t)=I₀ sin (2πf_It+φ₁ )

w drgającym polu

B(t)=B₀ sin(2πf_Bt +φ₂)

W efekcie, w słabych polach magnetycznych, gdy magnetyzacja jest jeszcze liniowa z polem

U_H = I₀B₀/a sin(2πf_It+φ₁) sin(2πf_Bt+φ₂) (R_H + χ_Z R_A) gdzie przez χ_Z oznaczyłem dM/dB

Dla materiałów paramagnetycznych χ_Z jest zwykłą podatność magnetyczna. Dla materiałów ferromagnetycznych parametr ten może zależeć od częstości drgań pola. Przy dużych częstościach, magnetyzacja próbki nie będzie nadążać za zmianami pola zewnętrznego i χ_Z powinno zmierzać do zera ze wzrostem częstości pola ...

Po prostym przekształceniu trygonometrycznym otrzymuje się

U_H= I₀B₀/2a (R_H + χ_Z R_A){cos(2π(f_I –f_B)t +( φ₁– φ₂ )) - cos(2π(f_I + f_B)t +( φ₁ + φ₂)}

widać ze napięcie Halla w próbce umieszczonej w zmiennym polu magnetycznym, zasilanej zmiennym prądem elektrycznym, jest sygnałem będącym sumą drgań o częstości f_I – f_B i o częstości f_I+ f_B

Tak więc napięcie Halla można obserwować dokonując selektywnych pomiarów napięć zmiennego, o tych częstościach. Powinno to pozwolić na analizę zależności magnetyzacji od częstości pola magnetycznego i to w obszarze gdzie mogą zachodzić przejścia fazowe...

Można np. spodziewać się pojawienia silnej zależności U_H od częstości pola, po przejściu do fazy magnetycznej. To powinno nastąpić jako wynik nie nadążania magnetyzacji za zmianami zewnętrznego pola ( pojawienie się osobliwości w χ_Z ? )...

Tyle o koncepcji, a teraz kilka słów i uwag o moich doświadczeniach przy budowaniu aparatury do pomiaru efektu Halla w zmiennych polach elektrycznym i magnetycznym w niskich temperaturach....

Opieram się tylko na mojej pamięci, bo po rozstaniu się z IF PAN, po kilkudziesięciu latach, nie zachowały się już moje notatki... Ale chyba lepiej spisać co pamiętam, bo może komuś się to przyda... No więc na początek kilka uwag, wynikających z moich doświadczeń, które prowadziłem dość długo.

• Niewiele zmniejsza szumy układu nawet najstaranniejsze ekranowanie. Natomiast istotny jest wybór zakresu częstości pomiarowych do obserwacja efektu Halla. Okazało się iż najlepiej jest prowadzić pomiary, dla niewielkiej wartości różnicy f_I – f_B tak by była ona znacznie mniejsza od zakłócającej wszystko częstości 50 Hz, sieci energetycznej

• problemy z prowadzeniem pomiarów zmienno-prądowych rosną wraz z częstotliwością prądu i pola. Wszystko jakoś działa w zakresie do małych kilku kHz, a dalej:

  • nie wiadomo już którędy płynie prąd. Jaka część prądu mającego zasilać selenoid, wpływa do cewki, a jaka ucieka jakimiś rozproszonymi pojemnościami, do masy...Ponieważ wszystko to jest zanurzone w płynnym helu, trudno wykonywać grubsze izolacje czy ekranowania, bo koncentryczne przewody znakomicie przewodzą ciepło....

  • generatory RC których używałem miały ograniczoną stabilność częstości. Jeśli pamiętam na poziomie ok 5x10^-5 Oznacza to ze trudno prowadzić pomiar sygnału np. f_I - f_B=10 Hz , pochodzący np. z drgań generatora pola o częstrości większej niż około 10 000 Hz i prądu 10 010 Hz. Częstość pola może ulec zmianie o + - 0, 5 Hz, i prądu podobnie, co powoduje konieczność ustawicznych kalibracji sprzętu bo może następować co chwila rozstrojenie częstości sygnału pomiarowego ( ok. 10 Hz ) o czynnik rzędu 1 Hz ( tj. aż o 10% )

  • utrzymanie stałej amplitudy pola magnetycznego przy zwiększaniu częstości drgań wymagało coraz większych mocy generatora, lub budowy wzmacniacza prądu zmiennego. Ze wzrostem częstości potrzeba było więcej energii dla drgania pola, bo rosła zawada cewki dającej pole Z= 2πfB L W końcu sam zbudowałem, i chyba było to bez większego sensu, wzmacniacz dający ok 200 Wat mocy prądu o częstości pracy do 30 kHz..

 

Poniżej schemat blokowy układu poimiarowego.

W rzeczywistości pole magnetyczne jest prostopadłe do kierunku prądu,

więc na tym rysunku, pole powinno być oznaczone jako prostopadłe do ekranu

 

Trochę trwało uruchomienie tego układu, ale czułość okazała się znakomita. Można było mierzyć sygnały rzędu ułamków nanowolta przy polach kilku Gs... Należy tu zwrócić uwagę iź układ powstał w połowie lat 80 tych. Został zbudowany na bazie mierników i genetratorów wyprodukowanych w latach 60 tych i 70 tych.

Przypuszczam ze gdyby analogiczny układ zbudować obecnie, w oparciu o nowocześniejsze, bardziej stabilne, aktualnie dostępne elementy, można byłoby jeszcze rozszerzyć zakres pomiarów....

Przebadałem dziesiątki próbek Hg_1-xMn_xTe o zawartości manganu do kilkunastu procent, w zakresie temperatur poczynając od 1,3 K i żadnego przejścia fazowego nie zaobserwowałem. Tych próbek które znałem z doktoratu...

Po latach, ostatnio, rozmawiałem z moim kolegą prof. W. Dobrowolskim który poinformował mnie ze obecnie wiadomo, bo z innych badań wynika iż w HgMnTe niema przejścia fazowego, więc nic dziwnego ze go nie widziałem w efekcie Halla ...

Pod koniec lat 80 tych zacząłem prowadzić pomiary innego związku, PbSnMnTe. Jest tam widoczny anormalny efekt Halla, jednak pomiarów w zmiennym polu magnetycznym nie ukończyłem z dwóch przyczyn:

• choroba, a potem śmierć ojca;

• straciłem pracę w IF PAN.

Po okrągłym stole, nastąpiła zmiana władzy. W połowie września 1989 r stało się pewne że nie jakaś koalicja z Kiszczakiem na czele, lecz Solidarność utworzy rząd. Mój b. promotor, prof. Robert Gałązka zakomunikował mi, że dalej w IF PAN pracować nie będę... Po prostu - uzasadniał, nigdy nie widział we mnie fizyka. Broń Boże, nie było mowy o jakichś przyczynach politycznych. Wcześniej próbował, ale nie wyszło, a reszta to zwykła koincydencja dat ( sic: przez koincydencje pewno też był współautorem prac, publikowanych razem ze mną )...

Sądzę jednak, ze Profesor publicznie chciał pokazać że odcina się od ludzi związanych z odchodzącym układem ( a tak traktował mnie ), że teraz już jest po stronie nowego. Chodziło o moje nazwisko i postawę mojego zmarłego ojca.

Ojciec zmarł, a ja zostałem bez pracy.

Mnie, niegdysiejszemu działaczowi opozycji, w III RP, świat się zawalił.

Gdyby kogoś interesowało, na wszelki wypadek informuje, iż wcześniej nigdy nikt nie prowadził ze mną żadnych rozmów ostrzegawczych, dotyczących mojej pracy. Po prostu tym razem nie przedłużono kontraktu, wcześniej przedłużanego we wrześniu każdego roku.

Jeśli w ogóle Gałązka zastanawiał się nad tym że chwilę wcześniej zmarł mi ojciec, miało to dla niego tylko takie znaczenie, ze wiedział iż nie uczyni on niczego w mojej obronie...

Oczywiście prof. Gałązka nie wiedział, że ci którzy teraz stawali się nową władzę, niegdysiejsza opozycja, to środowiska moich dawnych znajomych z okolic marca 68.

Jednak to ja przed kilku laty, urwałem z nimi kontakt i wspólpracę, planując emigracje z Anną, do USA.... Do tego jeszcze, ojciec poparł Jaruzelskiego, a ja głośno nie protestowałem... Zastanawiałem się, czy mam zwrócić się do kogoś o pomoc... Czy wypda mi o to prosić i czy ktokolwiek zechce się angażować ?

Śmierć ojca, transformacja systemu państwa, nie był to bezpieczny czas, dla odejście od zawodu. Takiej decyzji wtedy bym nie podjął, ale prof Gałązka nie kierował się moim dobrem, a o zwykłej przyzwoitości nie warto nawet myśleć.

W następnych rozdziałach będzie o tym, co jeszcze nas ( mnie i moją matkę, Ernę Rosenstein ) spotkalo i dlaczego nie próbowałem wrócić do fizyki....

Obecnie, bardzo już leciwy Pan Profesor, po staremu jest blisko władzy, zawsze po tej politycznie właściwej stronie.

 

 

--------------------------------

grafika z http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/instrukcje/efekt-halla/

powrót