平凡社 世界大百科事典

固体プラズマ

プラズマとは本来強く電離した気体に対してつけられた名称である。この場合,平均としては電気的中性の条件が保たれているが,個々の正負荷電粒子は互いに静電力を及ぼし合いながらほぼ自由に運動できる状態になっている。ある種の固体内部にもこれと似た状態が存在する。例えば金属の場合,結晶格子を構成する正イオンに対し,自由に動き回る伝導電子があって全体としては電気的に中性になっている。また半導体や半金属などでも伝導電子と正孔,さらに正負イオンが混在しプラズマ状態を作る。ただ固体の場合,イオンの動けない点が気体プラズマとの大きな違いである。このように高密度の自由な電子や正孔を含み,かつ時間的空間的に大きなスケールでは中性である状態を,とくに相互の静電力に基づく荷電粒子の集団的ふるまいに注目して,固体プラズマと呼ぶ。

 プラズマ中にあっては,同符号の電荷をもつ粒子は相互の静電斥力のため避け合って運動する。このためその運動状態は非常に複雑であり,これを取り扱ったボーム=パインズの理論などが知られているが完全なものとはいえない。静電相互作用に起因する集団運動としてはプラズマ振動が重要である。これはある程度大きなスケールで中性条件が破られたとき,これを回復しようとして起こる振動であり,その振動数νp(プラズマ振動数)は,例えば金属や気体の場合,

で与えられる(CGS単位)。Nemはそれぞれ単位体積当りの電子数,電子の電荷および質量である。固体,とくに金属中でのプラズマ振動の特徴は,気体プラズマの場合に比べNが大きいため,νpが非常に大きいことである。典型的な金属でνpは1~5×1015Hz,すなわち波長600~3000Å程度の紫外線の振動数に相当する。

 プラズマはもちろん静電場の下で電気の良導体である。しかし,より特徴的なことは電磁波に対するふるまいである。プラズマは振動電場によって一斉に激しく揺さぶられ,逆に電磁波の伝わり方を大きく変えてしまう。とくにνp以下の振動数の電磁波は,屈折率が虚数となるため,プラズマ中を伝播(でんぱ)できなくなる。この場合,入射した電磁波は表面で全反射される。これはプラズマによる一種の動的な遮へい作用といえよう。磨いた金属の表面がよく光を反射するのはこのためである。

 荷電粒子に磁場をかけると,それと垂直な面内で円運動を行い,その運動は自由でなくなる。このため,とくに電磁波の入射方向と平行に磁場があると,電磁波(横波である)による揺さぶりが抑えられ,電磁波の伝播が可能となる。ただし屈折率は非常に大きい。一般の固体プラズマでは,低い振動数の電磁波に対し,屈折率は振動数の平方根に逆比例する。このため固体プラズマ中の電磁波の伝播速度は,時として結晶中の弾性波の速度(数km/s)と同程度まで小さくなる。このような電磁波をヘリコン波と呼ぶ。一方,気体プラズマのように自由な荷電粒子が正負同数ある場合,また固体プラズマでも自由な電子と正孔が同数あるときには,正負の粒子の間での一種の打消し合いが起こり,屈折率は低振動数で大きくはあるが一定値に近づく。この種の横波はアルフェン波と呼ばれる。→プラズマ

黒沢 達美