ГИПЕРЗВУ́К
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ГИПЕРЗВУ́К, упругие волны с частотами от 109 до 1012–1013 Гц. По физич. природе Г. не отличается от звуковых и УЗ-волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в УЗ-области, 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.
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 темп-ре соответствует длине волны Г. 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 Г. очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо Г. распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низких температурах.
Природа гиперзвука
Существует Г. теплового происхождения и возбуждаемый искусственно. Тепловые колебания атомов или ионов, составляющих кристаллич. решётку, можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн разл. частот, распространяющихся по всем направлениям. Эти волны называются 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 Г., искусственно генерируемый с помощью спец. 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 коэф. поглощения гиперзвуковых волн теплового происхождения определяют на основе эффекта молекулярного рассеяния света.
Излучение и приём гиперзвука
Совр. методы излучения и приёма Г., так же как и ультразвука, основываются гл. обр. на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения Г. можно использовать резонансные пьезоэлектрич. преобразователи пластинчатого типа, которые применяются в УЗ-диапазоне частот. Толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны Г. Поэтому их получают в виде напылённых на торец звукопровода плёнок из пьезоматериалов. Используется также нерезонансный метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. или магнитострикционного кристалла, помещённого торцом в СВЧ электрическое (соответственно магнитное) поле; однако эти методы генерации и приёма Г. отличаются малой эффективностью преобразования электромагнитной энергии в акустическую (порядка нескольких процентов). Для генерации Г. широко применяются также лазерные источники и 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 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 релаксационный характер, а роль времени релаксации τ играет время жизни фонона. Механизм Ахиезера является доминирующим при комнатных темп-pax, при которых выполняется условие ωτ≪1 (где ω – круговая частота Г.). В области частот порядка 1010–1011 Гц и при низких темп-рах (при темп-ре жидкого гелия), когда ωτ≫1, происходит непосредственное взаимодействие когерентных фононов с тепловыми, которое необходимо рассматривать в рамках квантовых представлений.
При распространении Г. в кристаллах полупроводников имеет место взаимодействие Г. с электронами проводимости (электрон-фононное взаимодействие – см. Акустоэлектронное взаимодействие). Осн. механизмами здесь являются электромагнитная связь, связь через деформационный потенциал, пьезоэлектрич. и магнитоупругая связи, относительный вклад которых определяется типом материала. Особый интерес представляет распространение Г. в пьезоэлектрич. материалах (напр., кристаллах CdS), где упругие волны сопровождаются электромагнитными волнами и наоборот. Под действием Г. в полупроводниках возникает постоянная эдс или постоянный 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 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, напр. квантовые осцилляции (де Хааза – ван Альвена эффект и Шубникова – де Хааза эффект) и акустич. циклотронный резонанс.
В парамагнетиках прохождение Г. 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 Г. на частоте, соответствующей разности уровней, т. е. возникает акустический парамагнитный резонанс. В магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферримагнетиках), помимо рассмотренных выше взаимодействий Г. 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 Г. преобладает т. н. брэгговская дифракция, при которой для дифрагированного света наблюдаются только нулевой и первый порядки.
Свойства Г. позволяют использовать его для исследования состояния вещества, особенно в физике твёрдого тела. Существенную роль играет использование Г. для т. н. акустич. линий задержки в СВЧ-области, а также для создания др. устройств акустоэлектроники и акустооптики.