Квантова акустика

Визначення і загальна характеристика

КВА́НТОВА АКУ́СТИКА — галузь фізики твердого тіла, що охоплює акустичними дослідже­н­нями різноманітні явища в твердих тілах, для теоретичної інтер­претації яких використовують уявле­н­ня та принципи квантової механіки. Квант. під­хід перед­бачає, що в цих явищах виявляються індивід. властивості елементар. акустич. збуджень — фононів, такі, як частота фонона, його тип, напрям пошире­н­ня та час життя. К. а. найбільший роз­виток отримала в Україні, де в Харків. фіз.-тех. ін­ституті НАНУ й Ін­ституті радіофізики та електроніки НАНУ (Харків) уперше виконано теор. дослідж. фундам. акустич. властивостей твердого тіла (Л. Ландау, О. Ахієзер, Е. Канер). В Ін­ституті радіофізики та електроніки НАНУ також уперше проведено екс­перим. дослідж. пошире­н­ня когерент. довгоіснуючих фононів — гіпер­звук. хвиль у досконалих ді­електрич. кри­сталах (кварц, сапфір та ін.) при низьких т-рах в умовах, коли ωτ >> 1, де ω — частота фонона, τ — час його життя. Там також були створені нові методи збудже­н­ня та при­йому гіпер­звук. хвиль у твердому тілі при низьких т-рах на частотах до 100 ГГц, коли довжина хвилі є порівняною з роз­мірами елементар. комірки кри­сталіч. решітки. У цих дослідж. були за­стосовані ефективні радіофіз. засоби обробле­н­ня гіпер­звук. сигналів, які до­зволили отримати надійну інформацію про зміни характеристик гіпер­звук. хвилі в кри­сталі під впливом магніт. поля та температури. Водночас екс­периментально встановлено механізм по­глина­н­ня по­здовж. гіпер­звук. хвиль у ді­електрич. кри­сталі при низьких т-рах, повʼязаний з трифонон. процесом взаємодії по­здовж. фононів в умовах «незбереже­н­ня» їхньої енергії, який теоретично перед­бачено англ. вченим С. Саймонсом; від­крито явище акустич. парамагніт. резонансу (АПР) у кри­сталах, у яких парамагнітні центри мають сильну електрон-фонон­ну взаємодію (Є. Ганапольський). Від­кри­т­тя АПР стало важливим етапом у роз­витку дослідж. з К. а. Метод, створений на основі АПР, дав можливість ви­вчати не тільки електрон. енергет. спектр домішк. парамагніт. центра, але і його електрон-фонон­ну взаємодію, що особливо важливо для центрів, де ця взаємодія досить велика. За­стосува­н­ня цього методу стало під­ґрунтям для роз­витку нового напряму в радіо­спектро­скопії твердого тіла — гіпер­звук. АПР спектро­скопії. Методом гіпер­звук. АПР спектро­скопії ви­вчено електрон­ні енергет. спектри парамагніт. центрів з сильною електрон-фонон­ною взаємодією у ді­електр. і напів­провід­ник. кри­сталах, які використовують у квант. і напів­провід­ник. електроніці. За допомогою АПР досліджено динаміч. ефект Яна–Тел­лера (сукупність явищ, об­умовлених взаємодією електронів із колива­н­нями атом. ядер у молекулах або твердих тілах при наявності виродже­н­ня електрон. станів). У неоднорід. ді­електрич. кри­сталі від­бувається роз­сіюва­н­ня гіпер­звуку, однак, якщо воно є пружним, то його можна звернути, тобто повернути хвилю в стан, який вона мала до роз­сіюва­н­ня. Цей ефект був екс­периментально від­критий Є. Ганапольським, О. Королюком і В. Таракановим. У фоточутливому кри­сталі сульфіду кадмію вони спо­стерігали також ефект стрибк. електрон­ної провід­ності, індуков. інтенсив. гіпер­звук. хвилею. Гіпер­звук в умовах АПР по­глинається в кри­сталі за рахунок пере­ходів між енергет. рівнями, що належать до парамагніт. центра. Якщо активізувати такий кри­стал шляхом електромагніт. накачува­н­ня додатк. пари рівнів центра, створивши інверсію населеностей для другої ви­значеної пари рівнів, частота пере­ходу між якими дорівнює частоті гіпер­звук. хвилі, по­глина­н­ня хвилі заміниться її під­силе­н­ням. На цьому ґрунтується ідея Ч. Таунса, яка полягає у створен­ні на основі такого ефекту квант. генератора когерент. фононів, подібного до лазера. Однак для цього інверсії населеностей рівнів виявилося недо­статньо. Це повʼязано з тим, що система парамагніт. центрів із інверс. населеністю є сут­тєво нелінійною для гіпер­звуку. Тому у гіпер­звук. резонаторі, який здійснює зворот. звʼязок у цій системі, потрібно створити умови для самозбудже­н­ня когерент. фононів. Є. Ганапольський і Д. Маковецький виявили ці умови та вперше створили квант. генератор когерент. гіпер­звук. коливань — акустич. аналог лазера — фазер. Із під­вище­н­ням потужності електромагніт. накачува­н­ня у фазер. системі завдяки її нелінійності від­бувається стрибкоподібне зро­ста­н­ня інтенсивності фазер. генерації когерент. фононів і числа генеруючих мод. До К. а. належать також ультра­звук. дослідж. нормал. і над­провід. металів при низьких т-рах, в яких виявлено низку квант. ефектів. Досліджуючи акустичні властивості кри­стала чистого металу в магніт. полі при низьких т-рах, можна отримати ві­домості про структуру його електрон. енергет. спектра. Таким способом від­крито ефект гігант. квант. осциляцій коефіцієнта по­глина­н­ня та дис­персії фазової швидкості ультра­звуку в металах у квантуючому магніт. полі. Цей ефект теоретично перед­бачили В. Гуревич, В. Скобов і Ю. Фірсов, а потім екс­периментально виявили О. Королюк і Т. Прущак. Гігант. квант. осциляції ультра­звуку об­умовлені квантува­н­ням енергії електронів провід­ності металу в магніт. полі та періодич. включе­н­ням при зміні цього поля без­штовхал. взаємодії з ультра­звук. хвилею тих електронів на поверх­ні Фермі, швидкість яких спів­падає зі швидкістю хвилі. Оскільки по­глина­н­ня та фазова швидкість ультра­звуку за­знає різких змін при т-рах металу, де від­бувається фазовий пере­хід у над­провід. стан, методи К. а. є ефектив. інструментом для ви­вче­н­ня властивостей над­провід­ників. К. а. охоплює й дослідж. ядер. магніт. акустич. резонансу — вибірк. по­глина­н­ня енергії ультра­звук. хвилі ядер. спін-системою в магніт. полі. Осн. методами його дослідж. є роз­шире­н­ня резонанс. лінії при насичен­ні ядер. магніт. резонансу акустич. полем, а також по­двійний магніто­акустич. резонанс, який полягає в одночас. збуджен­ні системи ядер. спінів двома змін­ними полями, одне з яких акустич., а ін. — електромагніт. природи.

Літ.: Королюк А. П., Прущак Т. А. Новый тип квантовых осци­л­ляций коэф­фициента поглощения ультра­звука в цинке // ЖЭТФ. 1961. Т. 41; Ганапольский Е. М., Чернец А. Н. Возбуждение гипер­звука медлен­ными электромагнитными волнами // Докл. АН СССР. 1963. Т. 149; Ганапольский Е. М., Киселев Р. В., Чернец А. Н. Возбуждение гипер­звука в мил­лиметровом радиодиапазоне // Там само. 1970. Т. 191; Такер Дж., Рэмптон В. Гипер­звук в физике твердого тела / Пер. с англ. Москва, 1975; Ганапольский Е. М. Метод гипер­звуковой АПР-спектро­скопии примесных центров в кри­стал­лах // Спектро­скопия кри­стал­лов. Ленин­град, 1975; Магнитная квантовая акустика. Москва, 1977; Ганапольский Е. М., Маковецкий Д. Н. Усиление и генерация когерентных фононов в рубине при инверсии населен­ностей спиновых уровней // ЖЭТФ. 1977. Т. 72, вып. 2; Ганапольский Е. М., Королюк А. П., Тараканов В. В. Обращение остаточного затухания продольного гипер­звука в диэлектрических кри­стал­лах при низких температурах // Там само. 1982. Т. 82; Handbook of acoustics. New York, 1998.

Є. М. Ганапольський

Завантажити статтю