Гиперзвук

ГИПЕРЗВУК, упругие волны с частотами от 10⁹ до 10¹²-10¹³ Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и УЗ-волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в У3-области, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде - с электронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами и др. Гиперзвук также часто представляют как поток квазичастиц - фононов.

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. Частота 10⁹ Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре соответствует длине волны гиперзвука 3,4·10^-5 см (порядка длины свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях). Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах - монокристаллах, особенно при низких температурах.

Природа гиперзвука. Существует гиперзвук теплового происхождения и возбуждаемый искусственно. Тепловые колебания атомов или ионов, составляющих кристаллическую решётку, можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн различных частот, распространяющихся по всем направлениям. Эти волны называются дебаевскими волнами или тепловыми фононами; в области частот 10⁹-10¹³ Гц их рассматривают как гиперзвук теплового происхождения. Гиперзвуковые тепловые фононы в кристалле имеют широкий спектр частот, тогда как гиперзвук, искусственно генерируемый с помощью специальных излучателей, может иметь высокую степень монохроматичности. В жидкостях флуктуации плотности, вызываемые тепловым движением молекул (а в жидкостях с большой вязкостью - и сдвиговые деформации), также удобно представить как результат наложения плоских упругих волн, распространяющихся во всех направлениях. Скорости распространения и коэффициент поглощения гиперзвуковых волн теплового происхождения определяют на основе эффекта молекулярного рассеяния света.

Излучение и приём гиперзвука. Современные методы излучения и приёма гиперзвука, так же как и ультразвука, основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения гиперзвука можно использовать резонансные пьезоэлектрические преобразователи пластинчатого типа, которые применяются в УЗ-диапазоне частот. Толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны гиперзвука. Поэтому их получают в виде напылённых на торец звукопровода плёнок из пьезоматериалов. Используется также нерезонансный метод возбуждения гиперзвука с поверхности диэлектрического пьезоэлектрического или магнитострикционного кристалла, помещённого торцом в СВЧ электрическое (соответственно магнитное) поле; однако эти методы генерации и приёма гиперзвука отличаются малой эффективностью преобразования электромагнитной энергии в акустическую (порядка нескольких процентов). Для генерации гиперзвука широко применяются также лазерные источники и устройства на сверхпроводниках.

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

В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание гиперзвука определяется в основном его нелинейным взаимодействием с тепловыми фононами. На сравнительно низких частотах действует так называемый механизм «фотонной вязкости» (механизм Ахиезера). Он заключается в том, что упругая волна нарушает равновесное распределение тепловых фононов и перераспределение энергии между различными фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксационный характер, а роль времени релаксации τ играет время жизни фонона. Механизм Ахиезера является доминирующим при комнатных температурах, при которых выполняется условие ωτ << 1 (где ω - круговая частота гиперзвука). В области частот порядка 10¹⁰-10¹¹ Гц и при низких температурах (при температуре жидкого гелия), когда ωτ >> 1, происходит непосредственное взаимодействие когерентных фононов с тепловыми, которое необходимо рассматривать в рамках квантовых представлений.

При распространении гиперзвука в кристаллах полупроводников имеет место взаимодействие гиперзвука с электронами проводимости (электрон-фононное взаимодействие - смотри Акустоэлектронное взаимодействие). Основными механизмами здесь являются электромагнитная связь, связь через деформационный потенциал, пьезоэлектрические и магнитоупругие связи, относительный вклад которых определяется типом материала. Особый интерес представляет распространение гиперзвука в пьезоэлектрических материалах (например, кристаллах CdS), где упругие волны сопровождаются электромагнитными волнами и наоборот. Под действием гиперзвука в полупроводниках возникает постоянная эдс или постоянный ток (так называемый 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 гиперзвука эти эффекты становятся заметными лишь при температурах ниже 10 К, когда вклад в затухание, обусловленный колебаниями решётки, становится незначительным. Постоянное магнитное поле существенно влияет на движение электронов, искривляя их траектории, что сказывается на характере акустоэлектронного взаимодействия в металлах. При этом на определённых частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, например квантовые осцилляции (де Хааза - ван Альвена эффект и Шубникова - де Хааза эффект) и акустический циклотронный резонанс.

В парамагнетиках прохождение гиперзвука подходящей частоты и поляризации в результате спин-фононного взаимодействия может вызвать изменение магнитного состояния атомов (переход атомов с одного уровня на другой). При этом происходит избирательное поглощение гиперзвука на частоте, соответствующей разности уровней, то есть возникает акустический парамагнитный резонанс. В магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферримагнетиках), помимо рассмотренных выше взаимодействий гиперзвука с веществом, возникают магнитоупругие взаимодействия (магнонфононные 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 электромагнитной волны под действием упругой волны обусловливает фотон-фононное взаимодействие. Примером такого взаимодействия является спонтанное и вынужденное Мандельштама-Бриллюэна рассеяние. К такого рода взаимодействию можно отнести и возникновение упругой волны под действием электромагнитной волны в результате эффекта электрострикции. На частотах гиперзвука преобладает так называемая брэгговская дифракция, при которой для дифрагированного света наблюдаются только нулевой и первый порядки.

Свойства гиперзвука позволяют использовать его для исследования состояния вещества, особенно в физике твёрдого тела. Существенную роль играет использование гиперзвука для так называемых акустических линий задержки в СВЧ-области, а также для создания других устройств акустоэлектроники и акустооптики.

Лит.: Фабелинский И. Л. Молекулярное рассеяние света. М., 1965; Физическая акустика/ Под редакцией У. Мэзона, Р. Терстона. М., 1967-1974. Т. 1-7; Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М., 1975; Магнитная квантовая акустика. М., 1977.