Hyperlyd - elastiske bølger med frekvenser fra 10 9 Hz . Af fysisk natur adskiller hyperlyd sig ikke fra lyd- og ultralydsbølger . Hyperlyd er ofte repræsenteret som en strøm af kvasipartikler- fononer .
I luft under normale forhold udbreder hyperlyd sig ikke på grund af stærk absorption. De mest betydningsfulde er interaktionerne mellem hyperlyd og kvasipartikler i et medium - med ledningselektroner , termiske fononer og magnoner .
Hyperlydsfrekvensområdet svarer til frekvenserne af elektromagnetiske svingninger i decimeter-, centimeter- og millimeterområderne (de såkaldte superhøje frekvenser —SHF). Ved at bruge teknikken til at generere og modtage elektromagnetiske mikrobølgesvingninger var det muligt at opnå og begynde studiet af hypersound-frekvenser ~ 10 11 Hz.
Frekvensen på 10 9 Hz i luft ved normalt atmosfærisk tryk og stuetemperatur svarer til en hypersonisk bølgelængde på 3,4 10 −5 cm eller 340 nm, dvs. denne længde er af samme størrelsesorden som den frie vej af molekyler i luft under disse forhold. Da elastiske bølger kun kan forplante sig i et elastisk medium under den betingelse, at bølgelængderne af disse bølger er mærkbart større end den gennemsnitlige frie vej i gasser (eller større end de interatomiske afstande i væsker og faste stoffer), udbreder hypersoniske bølger sig ikke i luft og gasser ved normalt atmosfærisk tryk. I væsker er hyperlydsdæmpningen meget stor, og udbredelsesområdet er kort. Relativt gode ledere af hypersound er faste stoffer i form af enkeltkrystaller , men hovedsagelig kun ved lave temperaturer. Så for eksempel, selv i en kvarts -enkeltkrystal , som er karakteriseret ved lav dæmpning af elastiske bølger, ved en frekvens på 1,5 10 9 Hz, dæmpes en langsgående hypersonisk bølge, der udbreder sig langs krystallens X-akse ved stuetemperatur, i amplitude med en faktor 2, når man passerer en afstand på kun 1 cm Der er dog hyperlydledere bedre end kvarts, hvor hyperlydsdæmpningen er meget mindre (for eksempel enkeltkrystaller af safir , lithiumniobat , yttriumjerngranat osv.).
I lang tid kunne hypersoniske bølger ikke opnås kunstigt (dette er en af årsagerne til valget af denne region af spektret af elastiske bølger, kaldet "hypersound"), derfor blev hyperlyd af termisk oprindelse undersøgt. Et fast krystallinsk legeme kan repræsenteres som et volumetrisk rumligt gitter, ved hvilke knudepunkter atomer eller ioner er placeret. Termisk bevægelse er de kontinuerlige og tilfældige vibrationer af disse atomer omkring ligevægtspositionen. Sådanne svingninger kan betragtes som et sæt af langsgående og tværgående planelastiske bølger af forskellige frekvenser - fra de laveste naturlige frekvenser af elastiske oscillationer i et givet legeme til frekvenser på 10 12 -10 13 Hz (herefter slutter spektret af elastiske bølger) , der breder sig i alle mulige retninger. Disse bølger kaldes også Debye-bølger eller termiske fononer.
En fonon er en elementær excitation af et krystalgitter eller en kvasipartikel. En fonon svarer til en plan elastisk bølge af en bestemt frekvens, ligesom en foton svarer til en plan elektromagnetisk bølge af en bestemt frekvens. Termiske fononer har en bred vifte af frekvenser, mens kunstigt opnået hyperlyd kan have en hvilken som helst specifik frekvens. Derfor kan kunstigt genereret hyperlyd repræsenteres som en strøm af sammenhængende fononer. I væsker har termisk bevægelse en karakter tæt på termisk bevægelse i faste stoffer; derfor genererer termisk bevægelse i væsker, som i faste stoffer, kontinuerligt usammenhængende hypersoniske bølger.
Før det blev muligt at opnå hyperlyd kunstigt, blev studiet af hypersoniske bølger og deres udbredelse i væsker og faste stoffer hovedsageligt udført ved den optiske metode. Tilstedeværelsen af termisk hyperlyd i et optisk transparent medium fører til lysspredning med dannelsen af flere spektrallinjer forskudt af hyperlydsfrekvensen, den såkaldte. Mandelstam-Brillouin spredning . Undersøgelser af hyperlyd i en række væsker førte til opdagelsen i dem af afhængigheden af hastigheden for udbredelse af hyperlyd af frekvens og den unormale absorption af hyperlyd (se lydspredning ).
Moderne metoder til generering og modtagelse af hyperlyd er hovedsageligt baseret på brugen af fænomenerne piezoelektricitet (fremkomsten af elektriske ladninger på overfladen af en piezoelektrisk krystal, for eksempel på en kvartsplade , skåret på en bestemt måde under påvirkning af mekanisk deformation og omvendt deformation af en krystal placeret i et elektrisk felt) og magnetostriktion (ændringer i kroppens form og dimensioner under magnetisering og ændringer i magnetisering under deformation).
En af de mest almindelige metoder til at generere hyperlyd er dens excitation fra overfladen af en piezoelektrisk krystal. For at gøre dette placeres sidstnævnte med sin endeflade i den del af resonatoren, hvor der er en maksimal intensitet af det elektriske mikrobølgefelt; hvis krystallen ikke er en piezoelektrisk, så påføres en tynd piezoelektrisk film på dens ende, for eksempel fra cadmiumsulfid. Under påvirkning af et elektrisk mikrobølgefelt opstår en variabel deformation med samme frekvens, som udbreder sig gennem krystallen med hyperlydshastigheden i form af en langsgående eller forskydningsbølge. I dette tilfælde tjener endefladen af selve krystallen som kilden til denne bølge. Til gengæld forårsager mekanisk deformation udseendet af en elektrisk ladning på krystaloverfladen, og derfor kan hyperlyd modtages på lignende måde.
Når elastiske bølger forplanter sig i dielektriske krystaller, der ikke indeholder frie ladningsbærere, dæmpes disse bølger på grund af deres ikke-lineære interaktion med termiske fononer. Arten af denne interaktion og dermed dæmpningens natur afhænger af frekvensen af de udbredte bølger. Hvis frekvensen er lav (ultralydsregion), så forstyrrer bølgen kun ligevægtsfordelingen af termiske fononer, som derefter genoprettes på grund af tilfældige uelastiske kollisioner mellem dem; i dette tilfælde går bølgens energi tabt. I tilfælde af høje hypersoniske frekvenser er der en direkte ikke-lineær interaktion mellem kunstigt produceret hyperlyd og termisk hyperlyd; kohærente fononer kolliderer uelastisk med termiske fononer og overfører deres energi til dem, hvilket i dette tilfælde bestemmer energitabet af hyperlyd. Efterhånden som temperaturen falder, "fryser termiske fononer ud", deres antal bliver mindre. Følgelig falder dæmpningen af ultralyd og hyperlyd betydeligt med faldende temperatur.
Under udbredelsen af hyperlyd i krystaller af halvledere og metaller, hvor der er ledningselektroner, er der udover interaktionen af hyperlyd med termiske fononer en interaktion af hyperlyd med elektroner. En elastisk bølge, der forplanter sig i sådanne krystaller, bærer næsten altid et lokalt elektrisk felt med sig med lydens hastighed. Dette skyldes det faktum, at bølgen deformerer krystalgitteret, forskyder atomer eller ioner fra deres ligevægtsposition, hvilket fører til en ændring i intrakrystallinske elektriske felter. De resulterende elektriske felter ændrer bevægelsen af ledningselektroner og deres energispektrum. På den anden side, hvis der af en eller anden grund er ændringer i tilstanden af ledningselektronerne, så ændres de intrakrystallinske felter, hvilket forårsager deformationer i krystallen. Således er interaktionen af ledningselektroner med fononer ledsaget af absorption eller emission af fononer.
Undersøgelsen af hyperlydsdæmpning i metaller på ledningselektroner gør det muligt at studere vigtige egenskaber ved metaller ( relaksationstider , Fermi-overflade , energigab i superledere osv.).
Samspillet mellem kunstige, eller sammenhængende, fononer og elektroner bliver signifikant ved ultralyds- og især ved hypersoniske frekvenser i halvledere med piezoelektriske egenskaber (f.eks. en cadmiumsulfidkrystal, hvor interaktionen mellem fononer og ledningselektroner er meget stærk). Hvis et konstant elektrisk felt påføres krystallen, hvis størrelse er sådan, at elektronernes hastighed er noget større end den elastiske bølges hastighed, så vil elektronerne overhale den elastiske bølge, give energi til den og forstærke den , dvs. de elastiske bølger vil blive forstærket. Samspillet mellem kohærente fononer og elektroner fører også til den akustoelelektriske effekt - et fænomen, der består i, at fononer, der giver deres momentum til elektroner, skaber en konstant emk og en konstant elektrisk strøm i krystallen. I det tilfælde, hvor elektronerne giver energi til den elastiske bølge, opstår også den akustiske emf, men den har det modsatte fortegn.
I betragtning af hyperlydens interaktion med elektroner bør man tage højde for, at en elektron udover masse og ladning også har sit eget mekaniske moment ( spin ) og det tilhørende magnetiske moment samt et orbitalt magnetisk moment. Der er en spin-kredsløbs-vekselvirkning mellem det orbitale magnetiske moment og spin : hvis hældningen af banen ændres, ændres retningen af spindet også noget. Passagen af hyperlyd med en passende frekvens og polarisering kan forårsage en ændring i atomernes magnetiske tilstand. Ved hyperlydsfrekvenser af størrelsesordenen 10 10 Hz i paramagnetiske krystaller kommer hyperlydens interaktion med spin-orbit-systemet således til udtryk for eksempel i fænomenet akustisk paramagnetisk resonans (APR), som ligner elektronparamagnetisk resonans (EPR) og består i selektiv absorption af hyperlyd på grund af overgangen af atomer med et magnetisk niveau til et andet. Ved hjælp af APR er det muligt at studere overgange mellem niveauer af atomer i paramagneter, der er forbudt for EPR.
Ved at bruge samspillet mellem kohærente fononer med et spin-orbitalsystem er det muligt at forstærke og generere hypersoniske bølger i paramagnetiske krystaller ved lave temperaturer på et princip svarende til det, som kvantegeneratorer fungerer efter (se kvanteelektronik ). I magnetisk ordnede krystaller ( ferromagneter , antiferromagneter , ferritter ) forårsager udbredelsen af en hypersonisk bølge fremkomsten af en spin-bølge (ændringer i det magnetiske moment transmitteret som en bølge), og omvendt forårsager spin-bølgen fremkomsten af en hypersonisk bølge . Således genererer en type bølger en anden, og derfor udbreder sig i det generelle tilfælde ikke rent spin og elastiske bølger i sådanne krystaller, men koblede magnetisk elastiske bølger.
Interaktionen af hyperlyd med lys manifesterer sig, som nævnt ovenfor, i spredning af lys ved hyperlyd af termisk oprindelse, men effektiviteten af denne interaktion er meget lav. Men ved at bruge en kraftig lyskilde (for eksempel en kraftig rubin -laserpuls ) kan man opnå en mærkbar forstærkning af den elastiske bølge af det indfaldende lys. Som et resultat er det muligt at generere en intens hypersonisk bølge i en krystal med en effekt på flere titusinder kilowatt. Til gengæld vil den forstærkede elastiske bølge sprede det indfaldende lys i større grad, således at intensiteten af det spredte lys under visse forhold kan være af samme størrelsesorden som det indfaldende lys; dette fænomen kaldes stimuleret Mandelstam-Brillouin-spredning .
Således gør egenskaberne ved hyperlyd det muligt at bruge det som et værktøj til at studere stoffets tilstand. Dens betydning for studiet af faststoffysik er særlig stor. Inden for tekniske applikationer, hvis udvikling lige er begyndt, dens anvendelse til den såkaldte. akustiske forsinkelseslinjer i mikrobølgeområdet (ultralydsforsinkelseslinjer).