Квантовая акустика

«Перекрестными» эффектами Л. Л. Мясников об­разно назвал эффекты, возникающие при взаимодей­ствии полей или потоков разной природы, например звукового и магнитного, светового и звукового и т. п.

Область перекрестных эффектов поистине безгра­нична, в настоящее время изучены лишь некоторые «разнопольные» взаимодействия. Вот, например, как взаимодействует ультразвук с металлом, находящим­ся в магнитном поле. Вследствие звуковых колеба­ний материала в магнитном поле в материале созда­ются вихревые токи, которые в свою очередь вызы­вают появление вторичного электромагнитного поля. По амплитуде этого поля можно, между прочим, су­дить об интенсивности ультразвука в металле. Эф­фект обратим: поверхностная радиоволна, направляе­мая вдоль металлического стержня с постоянным магнитным полем (а при некоторых условиях и без него), создает в стержне ультразвуковые колебания.

Магнитоакустический эффект весьма чувствите­лен к структурному состоянию металлов и сплавов, степень проявления эффекта зависит от рода и коли­чества даже весьма малых примесей или добавок в материале. Пользуясь этим методом, можно создать материалы с максимальным или, наоборот, мини­мальным коэффициентом механических потерь на ультразвуковых частотах.

Предсказанные теоретически С. А. Альтшуллером и исследованные экспериментально У. X. Копвилле-мом и другими акустический электронный и ядерный магнитные резонансы обнаружены в настоящее вре­мя во множестве кристаллов, содержащих парамаг­нитные примеси. Эти опыты дают интереснейшие све­дения и представления не только о характере маг-нитоакустических резонансов внутри вещества, но и о динамических свойствах кристаллов на гиперзвуко­вых частотах 10⁹ герц и более.

Звуковые колебания могут менять картину взаи­модействия атомных пучков с пьезоэлектрическим материалом. Так, в опытах Л. Л. Мясникова и его сотрудников при облучении кварцевой пластинки атомными пучками калия, рубидия, цезия и таллия наблюдались дифракционные картины пространствен­ного рассеяния пучков. У той же пластинки, приве­денной в колебательное движение на ультразвуковых частотах, дифракционные максимумы рассеяния атомных пучков исчезали.

Еще в 30-е годы нашего столетия был известен акустико-оптический эффект, являвшийся продуктом взаимодействия акустических и световых волн. В жид­кости возбуждалась система плоских ультразвуко­вых волн. В звуковой волне чередуются сгущения и разрежения среды, поэтому подобная структура мо­жет действовать как твердая дифракционная решет­ка. Действительно, при направлении на структуру светового луча появлялись отчетливые дифракцион­ные максимумы и минимумы. Очень эффектные фо­тографии этих дифракционных картин были получе­ны Люка и Бикаром во Франции, Раманом и Натом в Индии, Соколовым в СССР. Интенсивность наибо­лее сильного центрального максимума являлась ярко выраженной функцией амплитуды ультразвуковых волн. Перед второй мировой войной английская фир­ма «Скофони» разработала на этом принципе моду­лятор света и применяла его в телевизионных установ­ках с большим экраном и высокой четкостью.

Г. А. Аскарьяном и другими в. 1963'году было со­общено в печати о генерации звука при поглощении лазерного излучения в жидкости. Приблизительно в это же время подобное явление наблюдал Л. М. Лям-шев. Некоторые исследователи назвали это направ­ление «разнопольных» взаимодействий оптоакустикой.

Механизмы оптического возбуждения звука мно­гообразны. Звук может возникать вследствие погло­щения интенсивного света в среде. Этот механизм связан с релаксационными процессами, изучение ко­торых является предметом молекулярной акустики (заметим, что молекулярная акустика сама по себе представляет обширную область, и отечественные щколы И. Г. Михайлова, В. Ф. Ноздрева и других

97-

4 И. И, Клюкин

имеют большие достижения в этой области). Кроме того, звук может возбуждаться в результате резкого изменения агрегатного состояния среды (испарение, ионизация) вследствие электрострикционного эф­фекта.

Американец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при воздействии модулирован­ного лазерного излучения,'установил, что это излуче­ние генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча лазера.

Различными авторами исследовались случаи излу­чения звука при воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического напря­жения и т. д.

По мере повышения частоты, то есть уменьшения длины волны ультраакустических колебаний звуко­вые волны начинают «замечать» дискретную струк­туру твердых тел — кристаллическую ионную ре­шетку. Здесь становятся плодотворными корпуску­лярные представления. Согласно современной физике, любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот: любая частица ведет себя при определенных условиях как волна. Один из клас­сиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый физик вынужден считать свет состоящим по понедельникам, средам и пятни­цам из частиц, а остальные дни недели — из волн. А вот что пишет по этому поводу в своей замечатель­ной научно-популярной книге «Глаз и солнце» ака­демик С. И. Вавилов*: «Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и ча­стиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого (курсив С. И. Вавилова — И. /(.). Наши механические понятия не в состоянии полно­стью охватить реальность, для этого не хватает на­глядных образов».

С тех пор последовало много работ, подтверждаю­щих эквивалентность волновой и квантовой механики.

* С. И, Вавилов. Глаз и солнце. Изд. 9-е. М., «Наука», 1976, с. 42.

И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила сделать выдающиеся откры­тия.

Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом — квантом звука. Разумеется, полной аналогии здесь нет. Частицы света — фото­ны— элементарны, то есть не состоят из других ча­стиц. Они единообразны, как единообразны электро­магнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не имеют той устойчивости, которая свойственна па­раметрам элементарных частиц. В процессе распро­странения звука изменяется характер упругих коле­баний, волна из поперечной может переходить в про­дольную, поверхностную и т. п. Эти процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть следует предположить многообразие фононов.

Несмотря на отсутствие данных о параметрах фо­нонов для различных видов упругих колебаний, вве­дение квантовых представлений в акустику уже при­несло свои плоды. Примером служит создание аку­стической^ мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру.

Схема и принцип действия фонон-электронного усили­теля высокочастотного звука.

1 — пьезополупроводник; 2 — источник звука; 3 —источник света; 4 —источник постоянного электрического напряжения.

По мере движения звуковой волны ее амплитуда уве­личивается вследствие взаимодействия между электро­нами Э и фононами Ф.

Другой пример — квантовый усилитель ультра-
звука. •

Как ни странно, но прямого усилителя звука пока не существует. Для того чтобы усилить звук, нужно сначала превратить его в электрические колебания (с помощью микрофона, гидрофона, виброметра), а затем, после усиления этих колебаний в электронном усилителе, произвести обратное превращение уже усиленных электрических^v сигналов в звук посред-ством соответствующих электроакустических преоб­разователей.

Позвольте, а резонатор? — спросит читатель. В по­лости резонатора звуковое давление усиливается вследствие того, что резонатор «отсасывает» звук с довольно большой площади фронта волны и транс­формирует в параметры колебательного процесса. Но в резонаторе нет какого-либо постоянного посторон­него источника звука, усиливающего колебательный процесс подобно тому, как это происходит в элек­тронном усилителе благодаря наличию постоянного электрического источника питания.

Принцип действия фонон-электронного усилителя ультразвуковых колебаний заключается в следующем. В образце пьезоэлектрического полупроводника (на­пример, в кристалле сернистого кадмия) возбуждает­ся звуковая волна высокой частоты. Одновременно кристалл облучается светом, вследствие чего в кем возникают свободные электроны. Эти дрейфующие электроны увлекаются.приложенным к кристаллу по­стоянным электрическим полем. Так как скорость электронов больше скорости звука, то электроны как бы тянут за собой звуковые частицы — фононы. Это создает дополнительные механические усилия, и, сле­довательно, звуковая волна по мере распространения по кристаллу будет усиливаться. Уже созданы кван­товые усилители ультразвука, в которых на расстоя­нии 10—15 миллиметров удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса в тысячи раз. При непрерывном излучении звука концентрация энергии в относительно малом объеме полупровод­ника становится настолько велика, что возникает проблема его охлаждения во избежание падения коэффициента усиления.

- Многочисленные проблемы квантовой акустики ре­гулярно обсуждаются на специальных международ­ных и всесоюзных симпозиумах и конференциях. В 1974 году И, А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В. Л. Гу-ревичу, В. И. Пустовойту была присуждена Государ­ственная премия СССР за цикл исследований по соз­данию теоретических основ акустоэлектроники. Фун­даментальные, полные интересных идей работы по акустоэлектронике были выполнены безвременно скон­чавшимся академиком Р. В. Хохловым с сотрудни­ками, а также В. А. Красильниковым и другими со­ветскими учеными.

«Разнопольные» эффекты и взаимодействия, элек-трон-фоншные, фотон-фононные, фонон-фононные процессы — манящая и увлекательная область физи­ческой (а в недалеком будущем, несомненно, и техни-.ческой) акустики,

Не обладая слухом, мы едва ли много больше интересо­вались бы колебаниями, чем без глаз — светом.

Рэлей

Пипин, король Италии, VIII век: «Что такое уши?» Флакк Альбин, наставник короля: «Собиратели зву­ков».