Гіперзвук та його властивості
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?тострикції. Для порушення гіперзвуку можна використовувати резонансні пєзоелектричні перетворювачі пластинчастого типу, к-які застосовуються в У3-діапазоні частот, однак для гіперзвуку товщина таких перетворювачів повинна бути дуже мала. Тому їх отримують, наприклад, шляхом вакуумного напилення плівок з пєзоелектричних матеріалів (LiNbO3, AlN, CdS, ZnS, ZnO та ін) на торець звукопровідника; застосовують і магнітострикційні плівки резонансної товщини (наприклад, плівки нікелю або пермалою).
Використовується також нерезонансний метод збудження гіперзвуку з поверхні діелектричного пєзоелектричного кристала. Кристал поміщається торцем в електричному полі СВЧ (у більшості випадків - в обємний резонатор). Стрибок діелектричної проникності, який має місце на кордоні кристала, призводить до появи на його поверхні зарядів, мінливих з частотою поля і супроводжуються змінною пєзоелектричною деформацією. Ця деформація поширюється по кристалу у вигляді поздовжньої або здвигової пружної хвилі. Аналогічно збуджується гіперзвук з поверхні магнітострикції кристалів, в цьому випадку торець кристала поміщається в магнітне поле НВЧ. Однак ці методи генерації і прийому гіперзвуку відрізняються малою ефективністю перетворення електромагнітної енергії в акустичну. Для генерації гіперзвуку все ширше застосовуються лазерні джерела, а також пристрої на надпровідниках.
Поширення гіперзвуку в твердих тілах
На дальність розповсюдження гіперзвуку у твердих тілах великий вплив мають його взаємодії з тепловими фононами, електронами, магнонами (спіновими хвилями) і ін.
У кристалах діелектриків, що не містять вільних носіїв зарядів, загасання гіперзвуку визначається в основному його нелінійною взаємодією з тепловими фононами. На порівняно низьких частотах діє так званий механізм "фононній вязкості" (механізм Ахієзера). Він полягає в тому, що пружна хвиля порушує рівноважний розподіл теплових фононів і перерозподіл енергії між різними фононами приводить до незворотного процесу дисипації енергії. Цей механізм має релаксаційний характер, а роль часу релаксації грає час життя фонона. Механізм "фононній вязкості" дає внесок в поглинання як поздовжніх, так і поперечних хвиль. Він є домінуючим при кімнатних температуpax, при яких виконується умова.
В області ~ 1010-1011 Гц і при низьких температурах (при температурі рідкого гелію), коли, відбувається безпосередня взаємодію когерентних фононів з тепловими, яку необхідно розглядати в рамках квантових уявлень. Непружна взаємодія когерентного фонона з тепловим призводить до появи третього фонона з зміненої частотою, тобто до зменшення числа когерентних фононів і відповідно до поглинання гіперзвуку ( Механізм Ландау-Pумера).
Поширення звуку в напівпровідниках
При поширенні гіперзвуку в кристалах напівпровідників (а також і металів) має місце взаємодія гіперзвук з електронами провідності. Основними механізмами тут є електрично-магнітний звязок, звязок через деформаційний потенціал, пєзоелектричний і магнітопружній звязок, відносний внесок яких визначається типом матеріалу. У непєзоелектричних напівпровідниках звязок пружних хвиль з носіями заряду здійснюється головним чином через деформаційний потенціал. Особливий інтерес представляє поширення гіперзвуку в пєзоелектричних матеріалах (напр., кристалах CdS), де пружні хвилі супроводжуються електромагнітними хвилями, і навпаки. У таких кристалах згасання і дисперсія гіперзвуку відбуваються в результаті його взаємодії з просторовими зарядами, зумовленими внутрішніми електричними полями. У цьому випадку діє також механізм електрон-фононної взаємодії, який обумовлений електричною поляризацією, повязаної з акустичними модами коливань, і здатний викликати локальне накопичення заряду і поява періодичного електричного потенціалу. Якщо до напівпровідникового кристалу прикласти постійне електричне поле, що викликає дрейф електронів зі швидкістю, більшою швидкості пружної хвилі, то електрони будуть обганяти пружну хвилю, віддаючи їй енергію і посилюючи її. Якщо швидкість когерентних фононів більше дрейфовій швидкості електронів, то має місце доповнить. електронне поглинання гіперзвуку. Під дією гіперзвуку в напівпровідниках виникає постійна ЕРС або постійний струм. Знак ефекту залежить при цьому від співвідношення швидкості гіперзвукових хвиль і швидкості електронів.
Поширення звуку в металах
Для металів характерні ті ж ефекти, що і для напівпровідників, але через велику загасання гіперзвуку ці ефекти стають помітними лише при темп-pax нижче 10 K, коли вклад в затухання за рахунок коливань решітки стає незначним. Поширення пружної хвилі в металі викликає рух покладе. іонів, і якщо електрони не встигають слідувати за ними, то виникають електричні. поля, які, впливаючи на електрони, створюють електронний струм. У разі поздовжньої хвилі зміни щільності створюють просторовий заряд,який безпосередньо генерує електричні. поля. Для поперечних хвиль зміни щільності відсутні, але зміщення положення іонів викликають осцилюючі магнітного поля, що створюють електричне поле, що діє на електрони. Таким чином, електрони отримують енергію від пружної хвилі і втрачають її в процесах зіткнення, відповідальних за електричний опір. Електрони релаксують шляхом зіткнень з гратами покладених іонів (домішками, тепловими фононами і т. д.), в результаті чого частина енергії повертається назад