КВА́НТОВАЯ АКУ́СТИКА

КВА́НТОВАЯ АКУ́СТИКА, об­ласть аку­сти­ки, изу­чаю­щая яв­ле­ния, свя­зан­ные с воз­бу­ж­де­ни­ем и рас­про­стра­не­ни­ем аку­стич. волн и до­пус­каю­щие ин­тер­пре­та­цию толь­ко в рам­ках кван­то­во­ме­ха­нич. пред­став­ле­ний. При этом в од­них слу­ча­ях аку­стич. вол­на рас­смат­ри­ва­ет­ся как по­ток ко­ге­рент­ных ква­зи­ча­стиц – фо­но­нов

с оп­ре­де­лён­ны­ми час­то­той, ква­зи­им­пуль­сом и по­ля­ри­за­ци­ей, в др. слу­ча­ях аку­стич. вол­ны опи­сы­ва­ют­ся сред­ст­ва­ми клас­сич. 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 аку­стич. 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 аку­стич. ко­ле­ба­ний сис­те­мой ядер­ных или элек­трон­ных спи­нов, вы­ра­жаю­щее­ся в рос­те ко­эф. за­ту­ха­ния зву­ка, а так­же из­ме­не­ние на­се­лён­но­стей спи­но­вых уров­ней. Кро­ме то­го, при воз­дей­ст­вии аку­стич. им­пуль­сов на ре­зо­нанс­ной час­то­те на­блю­да­ют­ся не­ста­цио­нар­ные про­цес­сы в ядер­ных и элек­трон­ных под­сис­те­мах.

К об­лас­ти К. а. в ши­ро­ком смыс­ле от­но­сят­ся мн. яв­ле­ния, трак­туе­мые на ос­но­ве кван­то­вой ме­ха­ни­ки. В этом пла­не К. а. смы­ка­ет­ся с разл. раз­де­ла­ми фи­зич. и при­клад­ной аку­сти­ки, в ко­то­рых рас­смат­ри­ва­ют­ся во­про­сы рас­про­стра­не­ния фо­но­нов, воз­ник­но­ве­ние зву­ко­вых волн в сре­дах под дей­ст­ви­ем оп­тич. из­лу­че­ния, взаи­мо­дей­ст­вие аку­стич. ко­ле­ба­ний с оп­тич. из­лу­че­ни­ем и элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти (см. Аку­сто­оп­ти­ка

, Аку­сто­элек­тро­ни­ка

 >>

). К. а. рас­смат­ри­ва­ет так­же яв­ле­ния, свя­зан­ные с рас­про­стра­не­ни­ем и ге­не­ра­ци­ей вы­со­ко­час­тот­ных ко­ле­ба­ний при низ­ких темп-рах, ко­гда кван­то­вые эф­фек­ты иг­ра­ют до­ми­ни­рую­щую роль. Напр., по­гло­ще­ние вы­со­ко­час­тот­ных аку­стич. волн в ди­элек­трич. кри­стал­лах (за­ту­хание Лан­дау – Ру­ме­ра) про­ис­хо­дит за счёт столк­но­ве­ний с те­п­ло­вы­ми фо­но­на­ми и опи­сы­ва­ет­ся в рам­ках пред­став­ле­ний о трёх­час­тич­ных про­цес­сах. Аку­сто­элек­трон­ное взаи­мо­дей­ст­вие

 >>

в ме­тал­лах при низ­ких темп-рах в об­лас­ти фа­зо­вых пе­ре­хо­дов в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние до­пус­ка­ет ин­тер­пре­та­цию толь­ко ис­хо­дя из кван­то­во­ме­ха­нич. мо­де­ли об­ра­зо­ва­ния свя­зан­ных (ку­пе­ров­ских) элек­трон­ных пар. При этом тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость за­ту­ха­ния аку­стич. волн в сверх­про­во­дя­щей фа­зе за­ви­сит от со­от­но­ше­ния энер­гии зву­ко­во­го кван­та (фо­но­на) и энер­гии свя­зи элек­тро­нов в па­ре. Кван­то­во­ме­ха­нич. под­ход объ­яс­ня­ет при­ро­ду зву­ко­вых волн в сверх­те­ку­чем ге­лии, а так­же воз­мож­ность вы­би­ва­ния ато­мов с по­верх­но­сти жид­ко­го ге­лия зву­ко­вой вол­ной (аку­стич. ана­лог фо­то­эф­фек­та).

В кон. 20 в. сфор­ми­ро­ва­лись но­вые на­прав­ле­ния К. а., свя­зан­ные с ис­сле­до­вания­ми ге­не­ра­ции и рас­про­стра­не­ния аку­стич. ко­ле­ба­ний в низ­ко­раз­мер­ных сис­те­мах (по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­ту­рах, тон­ких плён­ках и слои­стых струк­ту­рах, кри­стал­лах на­но­мет­ро­вых раз­ме­ров, уг­ле­род­ных на­нот­руб­ках и т. п.). Зна­чит. ин­те­рес к кван­то­во-аку­стич. яв­ле­ни­ям в та­ких сис­те­мах обу­слов­лен в пер­вую оче­редь пер­спек­ти­ва­ми их прак­тич. ис­поль­зо­ва­ния в мик­ро­элек­тро­ни­ке и уст­рой­ст­вах об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. В ча­ст­но­сти, при­ме­не­ние по­верх­но­ст­ных аку­сти­че­ских волн

по­зво­ля­ет управ­лять ди­на­ми­кой элек­тро­нов в дву­мер­ных струк­ту­рах, со­стоя­щих из тон­ко­го ме­тал­лич. слоя ме­ж­ду дву­мя по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми слоя­ми. До­пол­нит. при­ло­же­ние к та­кой сис­те­ме маг­нит­но­го по­ля при­во­дит к силь­ным кван­то­вым ос­цил­ля­ци­ям по­гло­ще­ния и ско­ро­сти по­верх­но­ст­ных аку­стич. волн. Им­пульс­ные аку­стич. по­ля мо­гут ме­нять на­се­лён­но­сти элек­трон­ных со­стоя­ний в кван­то­вых точ­ках

 >>

при низ­ких темп-рах. За счёт аку­сто­элек­три­че­ско­го эф­фек­та

 >>

в уг­ле­род­ных на­нот­руб­ках ока­зы­ва­ет­ся воз­мож­ным воз­бу­ж­де­ние в них зву­ко­вых волн ра­дио­час­тот­ны­ми элек­трич. по­ля­ми. К совр. на­прав­ле­ни­ям К. а. от­но­сит­ся так­же ис­сле­до­ва­ние рас­про­стра­не­ния зву­ка в сверх­те­ку­чем ге­лии, вве­дён­ном в уз­кие ка­на­лы-по­ры на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ван­ных по­рис­тых ма­те­риа­лов. Зна­чит. вни­ма­ние уде­ля­ет­ся та­ким во­про­сам, как про­те­ка­ние аку­сто­элек­трич. то­ка в ка­на­лах на­но­мет­ро­во­го диа­мет­ра.