Akademik

Область частот Г. соответствует частотам эл.-магн. колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Частоте 109 Гц в воздухе при норм. атм. давлении и комнатной темп-ре должна соответствовать длина 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 до тех пор, пока их длины заметно больше длины свободного пробега ч-ц в газах или больше межат. расстояний в жидкостях и тв. телах. Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при норм. атм. давлении гиперзвук. волны распространяться не могут. В жидкостях затухание Г. очень велико, и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо Г. распространяется в тв. телах — монокристаллах, гл. обр. при низких темп-pax. Так, напр., даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием в нём упругих волн, продольная гиперзвук. волна с частотой 1,5•109 Гц, распространяющаяся вдоль оси кристалла при комнатной темп-ре, ослабляется по амплитуде в два раза, пройдя расстояние всего в 1 см. В монокристаллах сапфира, ниобата лития, железоиттриевого граната затухание Г. значительно меньше, чем в кварце. Напр., в ниобате лития Г. ослабляется в два раза на расстоянии 15 см.

Природа гиперзвука. Существует Г. теплового происхождения и искусственно возбуждаемый. Тепловые колебания атомов или ионов, составляющих крист. решётку, можно рассматривать как тепловой шум — совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых разл. частот, распространяющихся по всем направлениям (см. КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ). Эти волны при частотах 109—1013 Гц наз. Г. теплового происхождения, или тепловыми фононами. Тепловые фононы в кристалле имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый когерентный Г. может иметь узкую спектр. линию на к.-н. определ. частоте. В жидкостях флуктуации плотности, вызываемые тепловым движением молекул, удобно представить как результат наложения плоских упругих волн, распространяющихся во всех направлениях. Т. о., тепловое движение непрерывно «генерирует» Г. как в тв. телах, так и в жидкостях.

До того как стало возможным получать Г. искусств. путём, изучение Г. в жидкостях и тв. телах проводилось гл. обр. оптич. методом (рассеяние света на Г. теплового происхождения). Было обнаружено, что рассеяние 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. на этих же частотах. Изучение Г. рентг. методами показало, что тепловые колебания атомов в кристалле приводят к диффузному рассеянию рентг. лучей, размазыванию пятен на рентгенограмме, обусловленному вз-ствием рентг. лучей с атомами, и к появлению фона. По диффузному рассеянию можно исследовать спектр гиперзвук. волн и определять модули упругости тв. 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 широко применяются в УЗ 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 пьезоэлектрических материалов (гл. обр. из пьезополупроводников CdS, ZriS, ZnO и др.) на торец звукопровода; применяют и магнитострикционные (ферромагнитные) плёнки резонансной толщины (напр., плёнки никеля или пермаллоя).

Используется также метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. кристалла, отличный от резонансных методов. Кристалл в виде бруска помещается торцом в СВЧ электрич. поле (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 вызывающих переменную пьезоэлектрическую деформацию. 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 СВЧ магн. поле. Однако эти методы генерации и приёма Г. отличаются малой эффективностью преобразования эл.-магн. энергии в акустическую (порядка неск. %). Для генерации Г. всё шире применяются лазерные источники эл.-магн. волн, а также излучатели на сверхпроводниках.

Распространение гиперзвука в твёрдых телах. На дальность распространения Г. в тв. телах, наряду с теплопроводностью и внутр. трением, большое влияние оказывают его вз-ствия с тепловыми фононами, эл-нами, магнонами (спиновыми волнами) и др. В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание Г. определяется в осн. его нелинейным вз-ствием с тепловыми фононами. На сравнительно низких частотах действует т. н. механизм «фононной вязкости» (механизм Ахиезера). Он заключается в том, что звук. волна нарушает равновесное распределение тепловых фононов по спектру, и вызванное ею перераспределение энергии между разл. фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксац. хар-р; роль времени релаксации играет время жизни фонона t=l/с, где l — длина свободного пробега фонона, с — ср. скорость Г. Этот механизм даёт вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он явл. доминирующим при комнатных темп-рах, при к-рых выполняется условие wt-1 (w — частота Г.).

В области w = 1010—1011 Гц и при низких темп-pax (при темп-ре жидкого гелия), когда wt->1, происходит непосредств. вз-ствие когерентных фононов с тепловыми, к-рое удобно рассматривать в рамках квант. представлений. Вз-ствие когерентного и теплового фононов приводит к появлению третьего, также теплового, фонона и, следовательно, с учётом законов сохранения энергии и импульса — к уменьшению звук. энергии, т. е. поглощению звука (т. н. механизм Ландау — Румера).

При распространении Г. в кристаллах полупроводников (а также и металлов) имеет место вз-ствие Г. с эл-нами проводимости (электрон-фононное вз-ствие). Осн. механизмами здесь явл. эл.-магн., пьезоэлектрич. и магнитоупругая связи, относительный вклад к-рых определяется типом материала. В кристалле ПП затухание и дисперсия Г. происходят в результате его вз-ствия с пространств. зарядами, обусловленными внутр. электрич. полями. В непьезоэлектрич. ПП 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 этом случае существует также др. механизм электрон-фононного вз-ствия, обусловленный электрич. поляризацией, связанной с акустич. модами колебаний; она может приводить к локальному накоплению заряда и к периодич. электрич. потенциалу. Если к пьезоэлектрич. кристаллу приложить пост. электрич. поле, вызывающее дрейф эл-нов со скоростью, большей скорости упругой волны, то эл-ны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая её (см. АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). Если же скорость когерентных фононов больше дрейфовой скорости эл-нов, то фононы отдают свой импульс эл-нам, т. е. имеет место акустоэлектрический эффект.

Для металлов характерны те же эффекты, что и для ПП, но из-за большого затухания Г. эти эффекты становятся заметными при темп-рах ниже 10 К, когда вклад в затухание за счёт колебаний решётки становится незначительным. Распространение упругой волны в металле вызывает движение положит. ионов, и если эл-ны не успевают следовать за ними, то возникают электрич. поля, к-рые, воздействуя на эл-ны, создают электронный ток. В случае продольной волны изменения плотности создают пространств. заряд, к-рый непосредственно генерирует электрич. поля. Для поперечных волн изменения плотности отсутствуют, но смещения положит. ионов вызывают осциллирующие магн. поля, создающие электрич. поле, действующее на эл-ны. Т. о., эл-ны получают энергию от упругой волны и теряют её в процессах столкновения, ответственных за электрич. сопротивление. Эл-ны 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 металлах пропорц. 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 эл-ны проводимости, число к-рых уменьшается с понижением темп-ры, а сверхпроводящие эл-ны (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 эл-нов, искривляя их траектории, что сказывается на хар-ре акустоэлектронного вз-ствия в металлах. При этом на определ. частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, напр. квант. осцилляции (де Хааза — ван Альфена эффект и Шубникова — де Хааза эффект) и акустич. циклотронный резонанс. Изучение затухания Г. в металлах на эл-нах проводимости позволяет получить важные хар-ки 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. с частотой = 1010 Гц, распространяясь в кристаллах парамагнетиков, помещённых в магн. поле, может привести к избират. поглощению, т. е. акустическому парамагнитному резонансу (АПР). При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, к-рые явл. запрещёнными для электронного парамагнитного резонанса. В магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферритах), помимо рассмотренных выше вз-ствий Г. с в-вом, появляются другие, где играют роль магнитоупругие вз-ствия (магнон-фононные вз-ствия). Так, распространение гиперзвук. волны вызывает появление спиновой волны и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвук. волны. Поэтому в общем случае в таких кристаллах распространяются не чисто спиновые или упругие волны, а связ. магнитоупругие волны.

Взаимодействие гяперзвука со светом. Изменение показателя преломления эл.-магн. волны под действием упругой волны, а также возникновение упругой волны под действием эл.-магн. волны в результате эффекта электрострикции может быть представлено как фотон-фононное вз-ствие. Примерами такого вз-ствия явл. дифракция света на ультразвуке, а также спонтанное и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. На частотах Г. преобладает т. н. брэгговская дифракция, при к-рой для дифрагиров. света наблюдаются только нулевой и первый порядки. Поскольку упругие волн. фронты, на к-рых рассеивается свет, движутся со скоростью звука, частота дифрагиров. света равна W-w (стоксова компонента) либо Wi+w (антистоксова компонента), где W — частота падающего света, w — частота Г. Этот процесс можно представить как рассеяние фотона на фононе, при этом знак «-» соответствует испусканию фонона, а знак «+» — поглощению.

При мандельштам — бриллюэновском рассеянии механизм вз-ствия света с тепловыми колебаниями крист. решётки (тепловыми фононами) явл. 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 гиперзвук. волну, на к-рой происходит рассеяние, обеспечивая непрерывную подкачку в неё энергии. В результате происходит генерация интенсивного Г.— т. н. вынужденное мандельштам — бриллюэновское рассеяние.

Св-ва Г. позволяют использовать его для исследования состояния в-ва, особенно в физике тв. тела. Существенную роль играет использование Г. для т. н. акустич. линий задержки в области СВЧ, а также для создания устройств акустоэлектроники и акустооптики.