Hyperljud - elastiska vågor med frekvenser från 10 9 Hz . Av fysisk natur skiljer sig inte hyperljud från ljud och ultraljudsvågor . Hyperljud representeras ofta som en ström av kvasipartiklar- fononer .
I luft under normala förhållanden sprider sig inte hyperljud på grund av stark absorption. De viktigaste är interaktionerna mellan hyperljud och kvasipartiklar i ett medium - med ledningselektroner , termiska fononer och magnoner .
Hyperljudsfrekvensområdet motsvarar frekvenserna för elektromagnetiska svängningar i decimeter-, centimeter- och millimeterområdena (de så kallade superhöga frekvenserna —SHF). Genom att använda tekniken för att generera och ta emot elektromagnetiska oscillationer i mikrovågor var det möjligt att erhålla och påbörja studiet av hyperljudsfrekvenser ~ 10 11 Hz.
Frekvensen 10 9 Hz i luft vid normalt atmosfärstryck och rumstemperatur motsvarar en hypersonisk våglängd på 3,4 10 −5 cm eller 340 nm, dvs denna längd är av samma storleksordning som den fria vägen för molekyler i luft under dessa förhållanden. Eftersom elastiska vågor kan fortplanta sig i ett elastiskt medium endast under förutsättning att våglängderna för dessa vågor är märkbart större än den genomsnittliga fria vägen i gaser (eller större än de interatomära avstånden i vätskor och fasta ämnen), utbreder sig inte hypersoniska vågor i luft och gaser vid normalt atmosfärstryck. I vätskor är hyperljudsdämpningen mycket stor och utbredningsområdet kort. Relativt bra ledare av hyperljud är fasta ämnen i form av enkristaller , men huvudsakligen endast vid låga temperaturer. Så, till exempel, även i en enkristall av kvarts , som kännetecknas av låg dämpning av elastiska vågor, vid en frekvens av 1,5 10 9 Hz, dämpas en longitudinell hypersonisk våg som utbreder sig längs kristallens X-axel vid rumstemperatur i amplitud med en faktor 2 när man passerar ett avstånd på endast 1 cm Det finns dock hyperljudsledare bättre än kvarts, där hyperljudsdämpningen är mycket mindre (till exempel enkristaller av safir , litiumniobat , yttriumjärngranat , etc.).
Under lång tid kunde hypersoniska vågor inte erhållas artificiellt (detta är en av anledningarna till valet av denna region av spektrumet av elastiska vågor, kallad "hypersound"), därför studerades hyperljud av termiskt ursprung. En solid kristallin kropp kan representeras som något volymetriskt rumsligt gitter, vid vars noder atomer eller joner finns. Termisk rörelse är de kontinuerliga och slumpmässiga vibrationerna av dessa atomer runt jämviktspositionen. Sådana svängningar kan betraktas som en uppsättning av längsgående och tvärgående elastiska vågor av olika frekvenser - från de lägsta naturliga frekvenserna av elastiska svängningar i en given kropp till frekvenser på 10 12 -10 13 Hz (nedan slutar spektrumet av elastiska vågor) , sprider sig i alla möjliga riktningar. Dessa vågor kallas också Debye-vågor , eller termiska fononer.
En fonon är en elementär excitation av ett kristallgitter eller en kvasipartikel. En fonon motsvarar en plan elastisk våg med en viss frekvens, precis som en foton motsvarar en plan elektromagnetisk våg med en viss frekvens. Termiska fononer har ett brett spektrum av frekvenser, medan artificiellt erhållet hyperljud kan ha vilken frekvens som helst. Därför kan artificiellt genererat hyperljud representeras som en ström av koherenta fononer. I vätskor har termisk rörelse en karaktär nära den för termisk rörelse i fasta ämnen; därför genererar termisk rörelse i vätskor, liksom i fasta ämnen, kontinuerligt inkoherenta hypersoniska vågor.
Innan det blev möjligt att erhålla hyperljud på konstgjord väg, utfördes studiet av hypersoniska vågor och deras utbredning i vätskor och fasta ämnen huvudsakligen med den optiska metoden. Närvaron av termiskt hyperljud i ett optiskt transparent medium leder till ljusspridning med bildandet av flera spektrallinjer förskjutna av hyperljudsfrekvensen, den så kallade. Mandelstam-Brillouin spridning . Undersökningar av hyperljud i ett antal vätskor ledde till upptäckten i dem av beroendet av hastigheten för utbredning av hyperljud på frekvens och den onormala absorptionen av hyperljud (se ljudspridning ).
Moderna metoder för att generera och ta emot hyperljud är huvudsakligen baserade på användningen av fenomenen piezoelektricitet (utseendet av elektriska laddningar på ytan av en piezoelektrisk kristall, till exempel på en kvartsplatta , skuren på ett visst sätt under inverkan av mekanisk deformation, och omvänt, deformationen av en kristall placerad i ett elektriskt fält) och magnetostriktion (förändringar i kroppens form och dimensioner under magnetisering och förändringar i magnetisering under deformation).
En av de vanligaste metoderna för att generera hyperljud är dess excitation från ytan av en piezoelektrisk kristall. För att göra detta placeras den senare med sin ändyta i den del av resonatorn där det finns en maximal intensitet av det elektriska mikrovågsfältet; om kristallen inte är en piezoelektrisk, appliceras en tunn piezoelektrisk film på dess ände, till exempel från kadmiumsulfid. Under inverkan av ett elektriskt mikrovågsfält inträffar en variabel deformation med samma frekvens, som fortplantar sig genom kristallen med hyperljudshastigheten i form av en longitudinell eller skjuvvåg. I detta fall tjänar själva kristallens ändyta som källan till denna våg. I sin tur orsakar mekanisk deformation uppkomsten av en elektrisk laddning på kristallytan och därför kan hyperljud tas emot på liknande sätt.
När elastiska vågor utbreder sig i dielektriska kristaller som inte innehåller fria laddningsbärare dämpas dessa vågor på grund av deras olinjära interaktion med termiska fononer. Naturen av denna interaktion, och därmed dämpningens natur, beror på frekvensen av de utbredningsvågor. Om frekvensen är låg (ultraljudsregion), så stör vågen bara jämviktsfördelningen av termiska fononer, som sedan återställs på grund av slumpmässiga oelastiska kollisioner mellan dem; i detta fall går vågens energi förlorad. I fallet med höga hypersoniska frekvenser finns det en direkt olinjär interaktion mellan artificiellt producerat hyperljud och termiskt hyperljud; koherenta fononer kolliderar oelastiskt med termiska fononer och överför sin energi till dem, vilket i detta fall bestämmer energiförlusten av hyperljud. När temperaturen sjunker "fryser termiska fononer ut", deras antal blir mindre. Följaktligen minskar dämpningen av ultraljud och hyperljud avsevärt med sjunkande temperatur.
Under utbredningen av hyperljud i kristaller av halvledare och metaller, där det finns ledningselektroner, finns det förutom interaktionen av hyperljud med termiska fononer en interaktion av hyperljud med elektroner. En elastisk våg som utbreder sig i sådana kristaller bär nästan alltid med sig ett lokalt elektriskt fält med ljudets hastighet. Detta beror på det faktum att vågen deformerar kristallgittret, förskjuter atomer eller joner från deras jämviktsposition, vilket leder till en förändring av intrakristallina elektriska fält. De resulterande elektriska fälten förändrar ledningselektronernas rörelse och deras energispektrum. Å andra sidan, om det av någon anledning sker förändringar i tillståndet för ledningselektronerna, så förändras de intrakristallina fälten, vilket orsakar deformationer i kristallen. Således åtföljs interaktionen av ledningselektroner med fononer av absorption eller emission av fononer.
Studiet av hyperljudsdämpning i metaller på ledningselektroner gör det möjligt att studera viktiga egenskaper hos metaller ( relaxationstider , Fermi-yta , energigap i supraledare, etc.).
Interaktionen mellan artificiella, eller koherenta, fononer och elektroner blir betydande vid ultraljud och speciellt vid hypersoniska frekvenser i halvledare med piezoelektriska egenskaper (till exempel en kadmiumsulfidkristall, där interaktionen mellan fononer och ledningselektroner är mycket stark). Om ett konstant elektriskt fält appliceras på kristallen, vars storlek är sådan att elektronernas hastighet är något större än den elastiska vågens hastighet, kommer elektronerna att passera den elastiska vågen, ge energi till den och förstärka den d.v.s. de elastiska vågorna kommer att förstärkas. Samspelet mellan koherenta fononer och elektroner leder också till den akustoelelektriska effekten - ett fenomen som består i att fononer, som ger sitt momentum till elektroner, skapar en konstant emk och en konstant elektrisk ström i kristallen. I det fall då elektronerna ger energi till den elastiska vågen uppstår också den akustiska emk, men den har motsatt tecken.
Med tanke på hyperljuds interaktion med elektroner bör man ta hänsyn till det faktum att en elektron, förutom massa och laddning, också har sitt eget mekaniska moment ( spin ) och det tillhörande magnetiska momentet , samt ett orbitalt magnetiskt moment. Det finns en spin-omloppsinteraktion mellan det orbitala magnetiska momentet och spinn : om banans lutning ändras ändras också spinns riktning något. Passage av hyperljud med en lämplig frekvens och polarisation kan orsaka en förändring i atomernas magnetiska tillstånd. Således, vid hyperljudsfrekvenser av storleksordningen 10 10 Hz i paramagnetiska kristaller, uttrycks interaktionen av hyperljud med spin-orbit-systemet, till exempel i fenomenet akustisk paramagnetisk resonans (APR), som liknar elektronparamagnetisk resonans (EPR) och består i selektiv absorption av hyperljud på grund av övergången av atomer med en magnetisk nivå till en annan. Med hjälp av APR är det möjligt att studera övergångar mellan nivåer av atomer i paramagneter som är förbjudna för EPR.
Genom att använda växelverkan av koherenta fononer med ett spin-orbitalsystem är det möjligt att förstärka och generera hypersoniska vågor i paramagnetiska kristaller vid låga temperaturer på en princip liknande den som kvantgeneratorer fungerar på (se kvantelektronik ). I magnetiskt ordnade kristaller ( ferromagneter , antiferromagneter , ferriter ) orsakar utbredningen av en hypersonisk våg uppkomsten av en spinnvåg (förändringar i det magnetiska momentet som överförs som en våg) och omvänt orsakar spinnvågen uppkomsten av en hypersonisk våg . Således genererar en typ av vågor en annan, därför, i det allmänna fallet, utbreder sig inte rent spinn och elastiska vågor i sådana kristaller, utan kopplade magnetiskt elastiska vågor.
Interaktionen mellan hyperljud och ljus visar sig, som nämnts ovan, i spridningen av ljus genom hyperljud av termiskt ursprung, men effektiviteten av denna interaktion är mycket låg. Men genom att använda en kraftfull ljuskälla (till exempel en kraftfull rubinlaserpuls ) kan man få en märkbar förstärkning av den elastiska vågen av det infallande ljuset. Som ett resultat är det möjligt att generera en intensiv hypersonisk våg i en kristall med en effekt på flera tiotals kilowatt. I sin tur kommer den förstärkta elastiska vågen att sprida det infallande ljuset i större utsträckning, så att under vissa förhållanden kan intensiteten av det spridda ljuset vara av samma storleksordning som det infallande ljuset; detta fenomen kallas stimulerad Mandelstam-Brillouin-spridning .
Således gör hyperljuds egenskaper det möjligt att använda det som ett verktyg för att studera materiens tillstånd. Dess betydelse för studiet av fasta tillståndets fysik är särskilt stor. Inom området för tekniska tillämpningar, vars utveckling bara har börjat, dess användning för den så kallade. akustiska fördröjningslinjer i mikrovågsområdet (ultraljudsfördröjningslinjer).