Hyperääni - elastiset aallot taajuuksilla 10 9 Hz . Fyysisen luonteen vuoksi hyperääni ei eroa äänestä ja ultraääniaalloista . Hyperääni esitetään usein kvasipartikkelien-fononien virtana .
Ilmassa normaaleissa olosuhteissa hyperääni ei leviä voimakkaan absorption vuoksi. Merkittävimmät ovat hyperäänen vuorovaikutukset väliaineessa olevien kvasihiukkasten kanssa - johtumiselektronien , lämpöfononien ja magnonien kanssa .
Hyperäänen taajuusalue vastaa sähkömagneettisten värähtelyjen taajuuksia desimetri-, senttimetri- ja millimetrialueilla (ns. superkorkeat taajuudet — SHF). Mikroaaltomagneettisten värähtelyjen generointi- ja vastaanottotekniikkaa käyttämällä oli mahdollista saada ja aloittaa hyperäänitaajuuksien ~ 10 11 Hz tutkimus.
Taajuus 10 9 Hz ilmassa normaalissa ilmanpaineessa ja huoneenlämpötilassa vastaa hyperääniaallonpituutta 3,4 10 -5 cm tai 340 nm, eli tämä pituus on samaa suuruusluokkaa kuin molekyylien vapaa reitti ilmassa näissä olosuhteissa. Koska elastiset aallot voivat levitä elastisessa väliaineessa vain sillä ehdolla, että näiden aaltojen aallonpituudet ovat huomattavasti suurempia kuin keskimääräinen vapaa reitti kaasuissa (tai suurempi kuin atomien väliset etäisyydet nesteissä ja kiinteissä aineissa), hyperääniaallot eivät etene ilmassa ja kaasut normaalissa ilmanpaineessa. Nesteissä hyperäänen vaimennus on erittäin suuri ja etenemisalue lyhyt. Suhteellisen hyvät hyperäänen johtimet ovat kiinteitä aineita yksittäiskiteiden muodossa , mutta pääasiassa vain matalissa lämpötiloissa. Joten esimerkiksi jopa kvartsiyksikiteessä , jolle on ominaista elastisten aaltojen alhainen vaimennus, taajuudella 1,5 10 9 Hz, pitkittäinen hypersonic-aalto, joka etenee pitkin kiteen X-akselia huoneenlämpötilassa, vaimenee amplitudiltaan kertoimella 2 ohittaessaan vain 1 cm:n etäisyyden. On kuitenkin olemassa kvartsia parempia hyperäänijohtimia, joissa hyperäänen vaimennus on paljon pienempi (esimerkiksi safiirin yksittäiskiteet , litiumniobaatti , yttrium - rautagranaatti jne.).
Pitkään aikaan hypersonic-aaltoja ei voitu saada keinotekoisesti (tämä on yksi syistä valita tämä elastisten aaltojen spektrin alue, nimeltään "hyperääni"), joten termistä alkuperää olevaa hyperääntä tutkittiin. Kiinteä kiteinen kappale voidaan esittää jonkinlaisena tilavuushilana, jonka solmukohdissa atomit tai ionit sijaitsevat. Lämpöliike on näiden atomien jatkuva ja satunnainen värähtely tasapainoasennon ympärillä. Tällaisia värähtelyjä voidaan pitää eritaajuisten pitkittäisten ja poikittaistason elastisten aaltojen joukona - tietyn kappaleen elastisten värähtelyjen alhaisimmista luonnollisista taajuuksista 10 12 - 10 13 Hz:n taajuuksiin (jäljempänä elastisten aaltojen spektri päättyy) , etenee kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Näitä aaltoja kutsutaan myös Debye -aaltoiksi tai lämpöfononeiksi.
Fononi on kidehilan tai kvasihiukkasen elementaarinen viritys. Fononi vastaa tietyn taajuuden tasokimmoista aaltoa, aivan kuten fotoni vastaa tietyn taajuuden tasoa sähkömagneettista aaltoa. Lämpöfononeilla on laaja taajuusalue, kun taas keinotekoisesti saadulla hyperäänellä voi olla mikä tahansa tietty taajuus. Siksi keinotekoisesti tuotettu hyperääni voidaan esittää koherenttien fononien virtana . Nesteissä lämpöliike on luonteeltaan lähellä kiinteiden aineiden lämpöliikettä, joten nesteissä, kuten kiinteissäkin aineissa, lämpöliike tuottaa jatkuvasti epäkoherentteja hyperääniaaltoja.
Ennen kuin hyperäänen keinotekoinen saaminen tuli mahdolliseksi, hyperääniaaltojen ja niiden etenemisen nesteissä ja kiinteissä aineissa tutkimus tehtiin pääasiassa optisella menetelmällä. Lämpöhyperäänen läsnäolo optisesti läpinäkyvässä väliaineessa johtaa valon sirontaan, jossa muodostuu useita hyperäänitaajuuden siirtämiä spektriviivoja, ns. Mandelstam-Brillouin-sironta . Yliäänen tutkimukset useissa nesteissä johtivat siihen, että niissä havaittiin hyperäänen etenemisnopeuden riippuvuus taajuudesta ja hyperäänen epänormaali absorptio (katso äänen hajonta ).
Nykyaikaiset menetelmät hyperäänen tuottamiseksi ja vastaanottamiseksi perustuvat pääasiassa pietsosähköisten ilmiöiden käyttöön (sähkövarausten ilmaantuminen pietsosähköisen kiteen pinnalle, esimerkiksi kvartsilevylle , leikattu tietyllä tavalla mekaanisen vaikutuksen alaisena muodonmuutos ja päinvastoin sähkökenttään asetetun kiteen muodonmuutos) ja magnetostriktio ( kehon muodon ja mittojen muutokset magnetoinnin aikana ja muutokset magnetisaatiossa muodonmuutoksen aikana).
Yksi yleisimmistä menetelmistä hyperäänen tuottamiseksi on sen viritys pietsosähköisen kiteen pinnasta. Tätä varten jälkimmäinen sijoitetaan päätypinnallaan resonaattorin siihen osaan, jossa on mikroaaltosähkökentän maksimivoimakkuus; jos kide ei ole pietsosähköinen, niin sen päähän laitetaan ohut pietsosähköinen kalvo, esimerkiksi kadmiumsulfidista. Mikroaaltosähkökentän vaikutuksesta tapahtuu samalla taajuudella muuttuva muodonmuutos, joka etenee kiteen läpi hyperäänen nopeudella pitkittäis- tai leikkausaallon muodossa. Tässä tapauksessa itse kiteen päätypinta toimii tämän aallon lähteenä. Mekaaninen muodonmuutos puolestaan aiheuttaa sähkövarauksen ilmaantumisen kiteen pinnalle ja siksi hyperääni voidaan vastaanottaa samalla tavalla.
Kun elastiset aallot etenevät dielektrisissä kiteissä, jotka eivät sisällä vapaita varauksenkantajia, nämä aallot vaimentuvat johtuen niiden epälineaarisesta vuorovaikutuksesta lämpöfononien kanssa. Tämän vuorovaikutuksen luonne ja siten vaimennuksen luonne riippuu etenevien aaltojen taajuudesta. Jos taajuus on matala (ultraäänialue), aalto vain häiritsee lämpöfononien tasapainojakaumaa, joka sitten palautuu niiden välisten satunnaisten joustamattomien törmäysten vuoksi; tässä tapauksessa aallon energia menetetään. Korkeiden hyperäänitaajuuksien tapauksessa keinotekoisesti tuotetun hyperäänen ja lämpöhyperäänen välillä on suora epälineaarinen vuorovaikutus; Koherentit fononit törmäävät kimmottomasti lämpöfononien kanssa ja siirtävät energiansa niille, mikä tässä tapauksessa määrää hyperäänen energiahäviön. Lämpötilan laskiessa lämpöfononit "jäätyvät pois", niiden lukumäärä pienenee. Vastaavasti ultraäänen ja hyperäänen vaimennus vähenee merkittävästi lämpötilan laskeessa.
Hyperäänen leviämisen aikana puolijohteiden ja metallien kiteissä, joissa on johtavuuselektroneja, hyperäänen ja lämpöfononien vuorovaikutuksen lisäksi tapahtuu hyperäänen vuorovaikutusta elektronien kanssa. Tällaisissa kiteissä etenevä elastinen aalto kantaa lähes aina mukanaan paikallista sähkökenttää äänen nopeudella. Tämä johtuu siitä, että aalto muuttaa kidehilan muotoa ja syrjäyttää atomeja tai ioneja niiden tasapainoasennosta, mikä johtaa muutokseen kiteen sisäisissä sähkökentissä. Syntyvät sähkökentät muuttavat johtavuuselektronien liikettä ja niiden energiaspektriä. Toisaalta, jos jostain syystä tapahtuu muutoksia johtavuuselektronien tilassa, niin kiteen sisäiset kentät muuttuvat, mikä aiheuttaa kiteessä muodonmuutoksia. Siten johtavuuselektronien vuorovaikutukseen fononien kanssa liittyy fononien absorptio tai emissio.
Metallien hyperäänivaimennuksen tutkimus johtumiselektroneissa mahdollistaa metallien tärkeiden ominaisuuksien ( relaksaatioajat , Fermi-pinta , suprajohteiden energiarako jne.) tutkimisen.
Keinotekoisten eli koherenttien fononien ja elektronien välinen vuorovaikutus tulee merkittäväksi ultraäänellä ja erityisesti hyperäänitaajuuksilla puolijohteissa, joilla on pietsosähköisiä ominaisuuksia (esimerkiksi kadmiumsulfidikiteessä, jossa fononien ja johtumiselektronien välinen vuorovaikutus on erittäin voimakas). Jos kiteeseen kohdistetaan vakio sähkökenttä, jonka suuruus on sellainen, että elektronien nopeus on jonkin verran suurempi kuin elastisen aallon nopeus, niin elektronit ohittavat elastisen aallon antaen sille energiaa ja vahvistaen sitä , eli elastiset aallot vahvistuvat. Koherenttien fononien ja elektronien välinen vuorovaikutus johtaa myös akustosähköiseen vaikutukseen - ilmiöön, joka koostuu siitä, että fononit antavat vauhtinsa elektroneille luovat vakion emf :n ja vakion sähkövirran kiteen. Siinä tapauksessa, että elektronit antavat energiaa elastiselle aallolle, syntyy myös akustinen emf, mutta sillä on päinvastainen etumerkki.
Kun tarkastellaan hyperäänen vuorovaikutusta elektronien kanssa, tulee ottaa huomioon, että elektronilla on massan ja varauksen lisäksi myös oma mekaaninen momenttinsa ( spin ) ja siihen liittyvä magneettinen momentti sekä kiertoradan magneettinen momentti. Radan magneettisen momentin ja spinin välillä on spin-rata-vuorovaikutus : jos kiertoradan kaltevuus muuttuu, myös spinin suunta muuttuu jonkin verran. Sopivan taajuuden ja polarisaation hyperäänen läpikulku voi aiheuttaa muutoksen atomien magneettisessa tilassa. Siten yliäänitaajuuksilla, jotka ovat luokkaa 10 10 Hz paramagneettisissa kiteissä, hyperäänen vuorovaikutus spin-kiertoratajärjestelmän kanssa ilmenee esimerkiksi akustisen paramagneettisen resonanssin (APR) ilmiönä, joka on samanlainen kuin elektronien paramagneettinen resonanssi . (EPR) ja koostuu hyperäänen selektiivisestä absorptiosta johtuen atomien siirtymisestä magneettitasolla toiselle. APR:n avulla on mahdollista tutkia paramagneettien atomitasojen välisiä siirtymiä, jotka ovat kiellettyjä EPR:lle.
Käyttämällä koherenttien fononien vuorovaikutusta spin-orbitaalijärjestelmän kanssa on mahdollista vahvistaa ja tuottaa hyperääniaaltoja paramagneettisissa kiteissä matalissa lämpötiloissa samanlaisella periaatteella kuin kvanttigeneraattorit toimivat (katso kvanttielektroniikka ). Magneettisesti järjestetyissä kiteissä ( ferromagneetit , antiferromagneetit , ferriitit ) hyperääniaallon eteneminen aiheuttaa spinaallon ilmaantumisen (muutoksia aallona välittyvässä magneettimomentissa) ja päinvastoin spin-aalto aiheuttaa hyperääniaallon ilmaantumisen . Näin ollen yhden tyyppiset aallot synnyttävät toisia, joten yleisessä tapauksessa tällaisissa kiteissä eivät etene puhtaasti spin- ja elastiset aallot, vaan kytketyt magneettisesti elastiset aallot.
Hyperäänen vuorovaikutus valon kanssa ilmenee, kuten edellä mainittiin, valon sirontana lämpöalkuperää olevan hyperäänen vaikutuksesta, mutta tämän vuorovaikutuksen tehokkuus on hyvin alhainen. Kuitenkin käyttämällä voimakasta valonlähdettä (esimerkiksi voimakasta rubiinilaserpulssia ) voidaan saavuttaa tulevan valon havaittava vahvistus elastisesta aallosta. Tämän seurauksena on mahdollista luoda intensiivinen hypersonic-aalto kiteessä, jonka teho on useita kymmeniä kilowatteja. Vahvistettu elastinen aalto puolestaan hajottaa tulevaa valoa enemmän, joten tietyissä olosuhteissa sironneen valon intensiteetti voi olla samaa suuruusluokkaa kuin tuleva valo; tätä ilmiötä kutsutaan stimuloiduksi Mandelstam-Brillouin-sironnaksi .
Siten hyperäänen ominaisuudet mahdollistavat sen käytön aineen tilan tutkimisen työkaluna. Sen merkitys kiinteän olomuodon fysiikan tutkimukselle on erityisen suuri. Teknisten sovellusten alalla, jonka kehitys on vasta alussa, sen käyttö ns. akustiset viiveviivat mikroaaltoalueella (ultraääniviivelinjat).