Гиперзвук

Гиперзвук (далее Г), упругие волны с частотой от 10⁹ до 10¹²—10¹³ гц; высокочастотная часть спектра упругих волн. По физической природе Г ничем не отличается от ультразвука, частоты которого простираются от 2·10⁴ до 10⁹ гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия Г с квазичастицами среды — электронами, фононами, магнонами и др.

Область частот Г соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Используя технику генерации и приема электромагнитных колебаний СВЧ, удалось получить и начать исследование частот Г ~ 10¹¹ гц.

Частоте 10⁹ гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре соответствует длина волны Г 3,4·10^-5 см, т. е. эта длина одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Поскольку упругие волны могут распространяться в упругой среде только при условии, что длины этих волн заметно больше длины свободного пробега в газах (или больше межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах), то в воздухе и газах при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны не распространяются. В жидкостях затухание Г очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошими проводниками Г являются твердые тела в виде монокристаллов, но главным образом лишь при низких температурах. Так, например, даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием упругих волн, на частоте 1,5·10⁹ гц продольная гиперзвуковая волна, распространяющаяся вдоль оси Х при комнатной температуре ослабляется по амплитуде в 2 раза при прохождении расстояния всего в 1 см. Однако имеются проводники Г лучше кварца, в которых затухание Г значительно меньше (например, монокристаллы сапфира, ниобата лития, граната и др.).

Долгое время гиперзвуковые волны не удавалось получать искусственным путем (в этом одна из причин выделения этой области спектра упругих волн, названной "гиперзвуком"), поэтому изучали Г теплового происхождения. Твердое тело можно представить как некоторую объемную пространственную решетку, в узлах которой расположены или ионы. Тепловое движение представляет собой непрерывные и беспорядочные колебания этих около положения равновесия. Такие колебания можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых различных частот — от самых низких собственных частот упругих колебаний данного тела до частот 10¹²—10¹³ гц (далее спектр упругих волн обрывается), распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти волны называют также дебаевскими волнами, или тепловыми фононами.

Фонон представляет собой элементарное возбуждение решетки или квазичастицу с энергией ћn и импульсом ћn/c, где n — частота, с — скорость звука в и ћ. — постоянная Планка. Фонону соответствует плоская упругая волна определ. частоты подобно тому, как фотону соответствует плоская электромагнитная волна определенной частоты. Тепловые фононы имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый Г может иметь какую-нибудь одну определенную частоту. Поэтому искусственно генерируемый Г можно представлять как поток когерентных фононов (см. Когерентность). В жидкостях тепловое движение имеет характер, близкий к характеру теплового движения в твердых телах, поэтому в жидкостях, как и в твердых телах, тепловое движение непрерывно генерирует некогерентные гиперзвуковые волны.

До того как стало возможным получать Г искусственным путем, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твердых телах проводилось главным образом оптическим методом. Наличие Г теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту Г n, т. н. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние. Исследования Г в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г от частоты и аномального поглощения Г (см. Дисперсия звука).

Современные методы генерации и приема Г основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества (возникновения электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрического например на пластинке кварца, вырезанной определенным образом под действием механической деформации, и, наоборот, деформация помещенного в электрическое поле) и магнитострикции (изменения формы и размеров тела при намагничивании и изменения намагниченности при деформации).

Одним из наиболее распространенных методов генерации Г является возбуждение Г с поверхности пьезоэлектрического Для этого последний своим торцом помещается в ту часть резонатора, где имеется максимальная напряженность электрического поля СВЧ; если — не пьезоэлектрик, то на его торец наносится тонкая пьезоэлектрическая пленка, например из сернистого Под действием электрического поля СВЧ возникает переменная деформация с той же частотой, которая распространяется по со скоростью Г в виде продольной, или сдвиговой, волны. При этом источником этой волны служит сама торцовая поверхность В свою очередь, механическая деформация вызывает на поверхности появление электрического заряда и, следовательно, подобным же образом может осуществляться прием Г

При распространении упругих волн в диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, эти волны затухают благодаря их нелинейному взаимодействию с тепловыми фононами. Характер этого взаимодействия, а следовательно, и характер затухания зависят от частоты распространяющихся волн. Если частота невелика (область ультразвука), то волна только нарушает равновесное распределение тепловых фононов, которое благодаря случайным неупругим столкновениям их между собой затем восстанавливается; при этом происходит потеря энергии волны. В случае высоких гиперзвуковых частот происходит непосредственное нелинейное взаимодействие Г, искусственно получаемого, и Г теплового происхождения; когерентные фононы неупругим образом сталкиваются с тепловыми фононами и передают им свою энергию, что в данном случае и определяет потерю энергии Г С понижением температуры тепловые фононы "вымораживаются", их становится меньше. Соответственно этому затухание ультразвука и Г при понижении температуры существенно понижается.

При распространении Г в полупроводников и металлов, где имеются электроны проводимости, кроме взаимодействия Г с тепловыми фононами, имеет место взаимодействие Г с электронами. Упругая волна, распространяющаяся в таких почти всегда несет с собой со скоростью звука локальное электрическое поле. Это связано с тем, что волна деформирует решетку, смещая или ионы из их положения равновесия, что приводит к изменению внутрикристаллических электрических полей. Возникшие электрического поля изменяют движение электронов проводимости и их энергетический спектр. С другой стороны, если почему-либо происходят изменения состояния электронов проводимости, то изменяются внутрикристаллического поля, что вызывает деформации в Т. о., взаимодействие электронов проводимости с фононами сопровождается поглощением или испусканием фононов.

Изучение затухания Г в металлах на электронах проводимости позволяет исследовать важные характеристики металлов (времена релаксации, поверхность энергетическую щель в сверхпроводниках и др.).

Взаимодействие между искусственными, или когерентными, фононами и электронами становится существенным в области ультразвуковых и особенно в области гиперзвуковых частот в полупроводниках, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (например, сернистого в котором взаимодействие между фононами и электронами проводимости очень сильно). Если к приложить постоянное электрическое поле, величина которого такова, что скорость электронов будет несколько больше скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая ее, т. е. будет происходить усиление упругих волн. Взаимодействие между когерентными фононами и электронами приводит также к акустоэлектрическому эффекту — явлению, которое состоит в том, что фононы, отдавая свой импульс электронам, создают в постоянную эдс и постоянный электрический ток. В случае, когда электроны отдают энергию упругой волне, акусто-эдс также возникает, однако имеет противоположный знак.

Рассматривая взаимодействие Г с электронами, следует принять во внимание тот факт, что электрон, кроме массы и заряда, обладает еще собственным механическим моментом (спином) и связанным с ним моментом, а также орбитальным моментом (см. Атом). Между орбитальным моментом и спином имеет место спин-орбитальное взаимодействие: если меняется наклон орбиты, несколько меняется и направление спина. Прохождение Г подходящей частоты и поляризации может вызвать изменение состояния Так, при частотах Г порядка 10¹⁰ гц в парамагнетиков (см. Парамагнетизм) взаимодействие Г со спин-орбитальной системой выражается, например, в явлении акустического парамагнитного резонанса (АПР), аналогичного электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) и состоящего в избирательного поглощении Г, обусловленном переходом с одного уровня на другой. При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями в парамагнетиках, которые являются запрещенными для ЭПР.

Используя взаимодействие когерентных фононов со спин-орбитальной системой, можно в парамагнитных при низких температурах усиливать и генерировать гиперзвуковые волны на принципе, сходном с тем, на котором работают квантовые генераторы (см. Квантовая электроника). В (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферриты) распространение гиперзвуковой волны вызывает появление спиновой волны (изменения момента, передающиеся в виде волны) и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвуковой волны. Т. о., один тип волн порождает другой, поэтому в общем случае в таких распространяются не чисто спиновые и упругие волны, а связанные волны.

Взаимодействие Г со светом проявляется, как упоминалось выше, в рассеянии света на Г теплового происхождения, но эффективность этого взаимодействия очень мала. Однако применив мощный источник света (например, импульс мощного рубинового лазера), можно получить заметное усиление падающим светом упругой волны. В результате можно генерировать интенсивную гиперзвуковую волну в мощностью несколько десятков квт. В свою очередь, усиленная упругая волна будет в большей степени рассеивать падающий свет, так что при определенных условиях интенсивность рассеянного света может быть одного порядка с падающим; это явление называется вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна.

Т. о., свойства Г позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твердого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для т. н. акустических линий задержки в области СВЧ (ультразвуковые линии задержки).

В. А. Красильников.

		Новости 03.12.2024 20:28:32

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.