Квантовая акустика

КВАНТОВАЯ АКУСТИКА, область акустики, изучающая явления, связанные с возбуждением и распространением акустических волн и допускающие интерпретацию только в рамках квантово-механических представлений. При этом в одних случаях акустическая волна рассматривается как поток когерентных квазичастиц - фононов с определёнными частотой, квазиимпульсом и поляризацией, в других случаях акустические волны описываются средствами классической физики, а взаимодействующие с ними системы - методами квантовой механики.

К квантово-акустическим явлениям относятся, прежде всего, акустический ядерный магнитный резонанс и акустический парамагнитный резонанс. Сущность этих резонансов состоит в акустическом возбуждении переходов между уровнями энергии ядер или электронов в твёрдых телах, помещённых в постоянное магнитное поле, при приближении энергии звуковых квантов (фононов) к разности энергий пары ядерных или электронных уровней. Вследствие этого может происходить резонансное поглощение энергии акустических колебаний системой ядерных или электронных спинов, выражающееся в росте коэффициента затухания звука, а также изменение населённостей спиновых уровней. Кроме того, при воздействии акустических импульсов на резонансной частоте наблюдаются нестационарные процессы в ядерных и электронных подсистемах.

К области квантовой акустики в широком смысле относятся многие явления, трактуемые на основе квантовой механики. В этом плане квантовая акустика смыкается с различными разделами физической и прикладной акустики, в которых рассматриваются вопросы распространения фононов, возникновение звуковых волн в средах под действием оптического излучения, взаимодействие акустических колебаний с оптическим излучением и электронами проводимости (смотри Акустооптика, Акустоэлектроника). Квантовая  акустика рассматривает также явления, связанные с распространением и генерацией высокочастотных колебаний при низких температурах, когда квантовые эффекты играют доминирующую роль. Например, поглощение высокочастотных акустических волн в диэлектрических кристаллах (затухание Ландау - Румера) происходит за счёт столкновений с тепловыми фотонами и описывается в рамках представлений о трёхчастичных процессах. Акустоэлектронное взаимодействие в металлах при низких температурах в области фазовых переходов в сверхпроводящее состояние допускает интерпретацию только исходя из квантово-механической модели образования связанных (куперовских) электронных пар. При этом температурная зависимость затухания акустических волн в сверхпроводящей фазе зависит от соотношения энергии звукового кванта (фонона) и энергии связи электронов в паре. Квантово-механический подход объясняет природу звуковых волн в сверхтекучем гелии, а также возможность выбивания атомов с поверхности жидкого гелия звуковой волной (акустический аналог фотоэффекта).

В конце 20 века сформировались новые направления квантовой акустики, связанные с исследованиями генерации и распространения акустических колебаний в низкоразмерных системах (полупроводниковых гетероструктурах, тонких плёнках и слоистых структурах, кристаллах нанометровых размеров, углеродных нанотрубках и т.п.). Значительный интерес к квантово-акустическим явлениям в таких системах обусловлен в первую очередь перспективами их практического использования в микроэлектронике и устройствах обработки информации. В частности, применение поверхностных акустических волн позволяет управлять динамикой электронов в двумерных структурах, состоящих из тонкого металлического слоя между двумя полупроводниковыми слоями. Дополнительное приложение к такой системе магнитного поля приводит к сильным квантовым осцилляциям поглощения и скорости поверхностных акустических волн. Импульсные акустические поля могут менять населённости электронных состояний в квантовых точках при низких температурах. За счёт акустоэлектрического эффекта в углеродных нанотрубках оказывается возможным возбуждение в них звуковых волн радиочастотными электрическими полями. К современным направлениям квантовой акустики относится также исследование распространения звука в сверхтекучем гелии, введённом в узкие каналы-поры наноструктурированных пористых материалов. Значительное внимание уделяется таким вопросам, как протекание акустоэлектрического тока в каналах нанометрового диаметра.

Лит.: Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М., 1975; Ультразвук: Маленькая энциклопедия / Под редакцией И. П. Голяминой. М., 1979; Handbook of acoustics / Ed. М. J. Crocker. N. Y., 1998.