гиперзвук

ГИПЕРЗВУК - упругие волны с частотами от 10⁹ до 10¹²-10¹⁸ Гц. По физ. природе Г. ничем не отличается от звуковых и УЗ-волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области УЗ, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия Г. с квазичастицами в среде - с электронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами и др. Г. также часто представляют как поток квазичастиц - фононов.

Область частот Г. соответствует частотам эл--магн. колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам). Частота 10⁹ Гц в воздухе при нормальном атм. давлении и комнатной темп-ре должна соответствовать длине волны Г. 3,4*10^-5 см, т. е. одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атм. давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание Г. очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо Г. распространяется в твёрдых телах - монокристаллах, особенно при низких темп-pax. Но даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием в нём упругих волн, продольная гиперзвуковая волна с частотой 1,5*10⁹ Гц, распространяющаяся вдоль оси кристалла при комнатной темп-ре, ослабляется по амплитуде в 2 раза, пройдя расстояние всего в 1 см. В монокристаллах сапфира, ниобата лития, железоиттриевого граната затухание Г. меньше, чем в кварце; напр., в ниобате лития Г. ослабляется в 2 раза на расстоянии 15 см.

Природа гиперзвука. Существует Г. теплового происхождения и искусственно возбуждаемый. Тепловые колебания атомов или ионов, составляющих кристаллич. решётку, можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых разл. частот, распространяющихся по всем направлениям (см. Колебания кристаллической решетки). Эти волны наз. дебаевскими волнами или тепловыми фононами; в области частот 10⁹-10¹³ Гц их рассматривают как Г. теплового происхождения. Гиперзвуковые тепловые фононы в кристалле имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый Г. может иметь высокую степень монохроматичности. В жидкостях флуктуации плотности, вызываемые тепловым движением молекул, также удобно представить как результат наложения плоских упругих волн, распространяющихся во всех направлениях. T. о., тепловое движение непрерывно "генерирует" Г. как в твёрдых телах, так и в жидкостях.

До того как стало возможным получать Г. искусств. путём, изучение Г. в жидкостях и твёрдых телах проводилось гл. обр. оптич. методом (рассеяния света на Г. теплового происхождения). Было обнаружено, что рассеяние света в оптически прозрачной среде происходит с образованием неск. спектр. линий, смещённых относительно частоты падающего света на частоту Г. (т н. Мандельштама - Бриллюэна рассеяние ).Исследования Г. в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г. от частоты в нек-рых областях частот (см. Дисперсия звука)и аномально большого поглощения Г. в этих же областях. Изучение Г. рентг. методами показало, что тепловые колебания атомов в кристалле приводят к диффузному рассеянию рентг. лучей, к размазыванию на рентгенограмме пятен, обусловленных взаимодействием рентг. лучей с атомами, и к появлению фона. По диффузному рассеянию можно исследовать спектр гиперзвуковых волн и определять модули упругости твердых тел.

Излучение и приём гиперзвука. Совр. методы излучения и приёма Г., так же как и УЗ, основываются гл. обр. на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения Г. можно использовать резонансные пьезоэлектрические преобразователи пластинчатого типа, к-рые применяются в У3-диапазоне частот, однако для Г. толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны Г. Поэтому их получают, напр., путём вакуумного напыления плёнок из пьезоэлектрич. материалов (LiNbO₃, AlN, CdS, ZnS, ZnO и др.) на торец звукопровода; применяют и магнитострикц. плёнки резонансной толщины (напр., плёнки никеля или пермаллоя).

Используется также нерезонансный метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. кристалла. Кристалл помещается торцом в электрич. поле СВЧ (в большинстве случаев - в объёмный резонатор). Скачок диэлектрич. проницаемости, к-рый имеет место на границе кристалла, приводит к появлению на его поверхности зарядов, меняющихся с частотой поля и сопровождающихся переменной пьезоэлектрич. деформацией. Эта деформация распространяется по кристаллу в виде продольной или сдвиговой упругой волны. Аналогично возбуждается Г. с поверхности магнитострикц. кристаллов, в этом случае торец кристалла помещается в магнитное поле СВЧ. Однако эти методы генерации и приёма Г. отличаются малой эффективностью преобразования эл--магн. энергии в акустическую (порядка неск. процентов). Для генерации Г. всё шире применяются лазерные источники, а также устройства на сверхпроводниках.

Распространение гиперзвука в твёрдых телах. На дальность распространения Г. в твёрдых телах большое влияние оказывают его взаимодействия с тепловыми фононами, электронами, магнонами (спиновыми волнами)и др.

В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание Г. определяется в осн. его нелинейным взаимодействием с тепловыми фононами. На сравнительно низких частотах действует т. н. механизм "фононной вязкости" (механизм Ахиезера). Он заключается в том, что упругая волна нарушает равновесное распределение тепловых фононов и перераспределение энергии между разл. фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксац. характер, а роль времени релаксации играет время жизни фонона. Механизм "фононной вязкости" даёт вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он является доминирующим при комнатных темп-pax, при к-рых выполняется условие (где.- круговая частота Г.).

В области ~10¹⁰-10¹¹ Гц и при низких темп-рах (при темп-ре жидкого гелия), когда , происходит непосредств. взаимодействие когерентных фононов с тепловыми, к-рое необходимо рассматривать в рамках квантовых представлений. Неупругое взаимодействие когерентного фонона с тепловым приводит к появлению третьего фонона с изменённой частотой, т. е. к уменьшению числа когерентных фононов и соответственно к поглощению Г. (т. н. механизм Ландау-Pумера).

При распространении Г. в кристаллах полупроводников (а также и металлов) имеет место взаимодействие Г. с электронами проводимости (электрон-фононное взаимодействие - см. Акустоэлектронное взаимодействие). Осн. механизмами здесь являются эл--магн. связь, связь через деформационный потенциал ,пьезоэлектрич. и магнитоупругая связи, относит. вклад к-рых определяется типом материала. В непьезоэлектрич. полупроводниках связь упругих волн с носителями заряда осуществляется гл. обр. через деформац. потенциал. Особый интерес представляет распространение Г. в пьезоэлектрич. материалах (напр., кристаллах CdS), где упругие волны сопровождаются эл--магн. волнами, и наоборот. В таких кристаллах затухание и дисперсия Г. происходят в результате его взаимодействия с пространственными зарядами, обусловленными внутр. электрич. полями. В этом случае действует также механизм электрон-фононного взаимодействия, к-рый обусловлен электрич. поляризацией, связанной с акустич. модами колебаний, и способен вызывать локальное накопление заряда и появление периодич. электрич. потенциала. Если к полупроводниковому кристаллу приложить пост. электрич. поле, вызывающее дрейф электронов со скоростью, большей скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая её. Если скорость когерентных фононов больше дрейфовой скорости электронов, то имеет место дополнит. электронное поглощение Г. Под действием Г. в полупроводниках возникает пост. эдс или пост. ток (т. н. акустоэлектрический эффект ).Знак эффекта зависит при этом от соотношения скорости гиперзвуковых волн и скорости электронов.

Для металлов характерны те же эффекты, что и для полупроводников, но из-за большого затухания Г. эти эффекты становятся заметными лишь при темп-pax ниже 10 K, когда вклад в затухание за счёт колебаний решётки становится незначительным. Распространение упругой волны в металле вызывает движение положит. ионов, и если электроны не успевают следовать за ними, то возникают электрич. поля, к-рые, воздействуя на электроны, создают электронный ток. В случае продольной волны изменения плотности создают пространственный заряд, к-рый непосредственно генерирует электрич. поля. Для поперечных волн изменения плотности отсутствуют, но смещения полежит. ионов вызывают осциллирующие магн. поля, создающие электрич. поле, действующее на электроны. T. о., электроны получают энергию от упругой волны и теряют её в процессах столкновения, ответственных за электрич. сопротивление. Электроны релаксируют путём столкновений с решёткой положит. ионов (примесями, тепловыми фононами и т. д.), в результате чего часть энергии возвращается обратно к упругой волне, к-рая переносится решёткой положит. ионов. Затухание Г. в чистых металлах при низких темп-pax пропорционально частоте. Если металл - сверхпроводник, то при темп-ре перехода в сверхпроводящее состояние электронное поглощение резко уменьшается. Это объясняется тем, что с решёткой, а следовательно, и с упругой волной взаимодействуют только нормальные электроны проводимости, число к-рых уменьшается с понижением темп-ры, а сверхпроводящие электроны (объединённые в куперовские пары - см. Сверхпроводимость ),число к-рых при этом растёт, в поглощении Г. не участвуют. Разрушение сверхпроводимости внеш. магн. полем приводит к резкому возрастанию поглощения.

Пост. магн. поле существенно влияет на движение электронов, искривляя их траектории, что сказывается на характере акустоэлектронного взаимодействия в металлах. При этом на определ. частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, напр. квантовые осцилляции (де Хааза - ван Алъфена эффект и Шубникова - де Хааза эффект)и акустич. циклотронный резонанс .Изучение затухания Г. в металлах на электронах проводимости позволяет получить важные характеристики металлов (поверхность Ферми, энергетич. щель в сверхпроводниках и др.).

В парамагнетиках прохождение Г. подходящей частоты и поляризации в результате спин-фононного взаимодействия может вызвать изменение магн. состояния атомов. Так, Г. частотой ~10¹⁰ Гц, распространяясь в кристаллах парамагнетиков, помещённых в магн. поле напряжённостью ~1000 Э, может вызвать переход атома с одного магн. уровня на другой, сообщая ему определ. энергию. При этом происходит избират. поглощение Г. на частоте, соответствующей разности уровней, т. е. возникает акустический парамагнитный резонанс (АПР). При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, к-рые являются запрещёнными для электронного парамагнитного резонанса. В магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферримагнетиках), помимо рассмотренных выше взаимодействий Г. с веществом, появляются другие, где играют роль магнитоупругие взаимодействия (магнон-фононные взаимодействия). Так, распространение гиперзвуковой волны вызывает появление спиновой волны, и наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвуковой волны. Поэтому в общем случае в таких кристаллах распространяются не чисто спиновые или упругие волны, а связанные магнитоупругие волны.

Взаимодействие гиперзвука со светом. Изменения показателя преломления эл--магн. волны под действием упругой волны обусловливает фотон-фононное взаимодействие. Примерами такого взаимодействия являются дифракция света на ультразвуке ,а также спонтанное и вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. К такого рода взаимодействию можно отнести и возникновение упругой волны под действием эл--магн. волны в результате эффекта электрострикции. На частотах Г. преобладает т. н. брегговская дифракция, при к-рой для дифрагиров. света наблюдаются только нулевой и первый порядки. Частота дифрагиров. света равна (стоксова компонента) либо (антистоксова компонента), где - частота падающего света, - частота Г. Этот процесс можно представить как рассеяние фотона на фононе, при этом знак "-" соответствует испусканию фонона, а знак "+" - поглощению.

При Мандельштама - Бриллюзна рассеянии механизм взаимодействия света с тепловыми колебаниями кристаллич. решётки (тепловыми фононами) является таким же, как и для рассмотренного выше случая дифракции света с искусственно возбуждённым Г. (когерентными фононами), однако в этом случае свет рассеивается во всех направлениях. При достаточно больших интенсивностях, когда напряжённость электрич. поля в падающей световой волне ~10⁴-10⁸ В/см, это поле может влиять на гиперзвуковую волну, на к-рой происходит рассеяние, обеспечивая непрерывную подкачку в неё энергии. В результате происходит генерация интенсивного Г.- т. н. вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна.

Свойства Г. позволяют использовать его для исследования состояния вещества, особенно в физике твёрдого тела. Существ. роль играет использование Г. для т. н. акустич. линий задержки в области СВЧ, а также для создания др. устройств акустозлектроники и акустооптики.

Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, P. Терстона, пер. с англ., т. 1-7, M., 1966-74; Tакер Дж., Pэмптон В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., M., 1975; Магнитная квантовая акустика, M., 1977.

   <<      Предметный указатель      >>