Квантовая акустика: просто и понятно
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Квантовая акустика — термин новый и в какой-то степени условный. Он еще не получил права гражданства и относится к недавно открытой области акустики. Но прежде чем рассказывать о ней, необходимо разъяснить кажущееся противоречие в самом термине «квантовая акустика».
Акустика — наука о звуке, который представляет собой упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях и твердых телах. Если частота колебаний звуковых волн лежит в пределах 40—15 000 герц, наше ухо воспринимает их как слышимый звук. Если частота превышает 15 000 колебаний в секунду, мы ничего не слышим, хотя физический процесс остался тем же. Такие не слышимые нашим ухом звуки называются ультразвуками.
Акустика рассматривает среду, в которой распространяется звук и ультразвук, как сплошную, непрерывную. Квантовая же теория применяется для описания явлений, происходящих в микромире. Однако, как это было недавно показано, существует стык этих двух наук. По мере повышения частоты упругих ультразвуковых колебаний длины волн уменьшаются и, наконец, делаются такими малыми, что волны начинают «замечать» дискретную структуру твердых тел — кристаллическую ионную решетку. Вот здесь-то и рождается квантовая акустика — интересная и перспективная область, в которой уже установлен ряд неизвестных ранее физических явлений.
При изучении явлений квантовой акустики мы, прежде всего, сталкиваемся с трудностями получения коротких ультразвуковых волн. Дело в том, что обычно в качестве излучателя и приемника ультразвука используют пластинки, изготовленные из пьезоэлектрических материалов, то есть таких материалов, которые обладают свойством «выделять» электрические заряды под действием механических напряжений. Если сжать такую пластинку, на ее поверхностях появятся заряды противоположных знаков.
Если сжатие заменить растяжением, знаки зарядов поменяются местами. Этот эффект обратим. Если на пластинку нанести металлические электроды и приложить к ним электрическое напряжение, пластинка деформируется. Если напряжение будет меняться, пластинка станет колебаться, станет излучать упругие волны. Таким образом, с помощью пьезоэлектрической пластинки можно излучать и принимать ультразвуковые колебания.
Излучение и прием ультразвука особенно эффективны тогда, когда колеблющаяся пластинка настроена в резонанс. Для этого нужно, чтобы ее толщина соответствовала половине длины ультразвуковой волны. Для частот, применяемых в обычной ультразвуковой дефектоскопии (несколько мегагерц), толщина излучающей пластинки должна быть около миллиметра. Нетрудно, однако, сообразить, что для получения в тысячу раз больших частот пришлось бы работать с пластинками, толщина которых — всего несколько микрон. Изготовить такую пластинку, нанести на нее металлические электроды толщиною в сотые доли микрона — задача, с которой, вероятно, не справился бы и легендарный умелец Левша. Поэтому сейчас приходится при исследовании высокочастотных колебаний применять относительно толстые нерезонансные пластинки.
Это, конечно, сильно снижает эффективность получения и приема высоких ультразвуковых частот. Можно было бы попытаться приклеить пьезоэлектрическую пластинку к стальному бруску, а затем шлифовать ее до тех пор, пока толщина ее не станет несколько микрон. Но вся беда в том, что слой клея составляет десятки микрон, и вся энергия ультразвука будет им поглощена. Поставленную задачу можно решить путем применения полупроводниковых пьезоэлектрических материалов, например, мышьяковистого галлия или сернистого кадмия. Если пластинку, вырезанную из такого материала, приложить к металлической поверхности, то на ее границе с металлом образуется так называемый запорный слой, то есть слой, обедненный электронами. Толщина этого слоя составляет микроны, а сопротивление его очень велико. Прикладывая к запорному слою пластинки постоянное напряжение различной величины, можно в некоторых пределах менять толщину запорного слоя.
Подадим теперь на торцы толстой полупроводниковой пластинки переменное напряжение высокой частоты, то самое, которое мы хотим преобразовать в ультразвуковую волну. Если бы пластинка была однородной, то электрическое поле равномерно распределилось бы внутри нее, и под действием этого поля пластинка начала бы колебаться с некоторой частотой. Поскольку толщина пластинки далека от резонансной, амплитуда этих колебаний будет ничтожной. При наличии же запорного слоя поле внутри пластинки распределяется неравномерно: основная часть приложенного напряжения приходится на очень тонкий запорный слой. Поэтому запорный слой начинает колебаться с большой амплитудой, играя роль резонансного излучателя ультразвука.
Изменяя приложенное к запорному слою постоянное напряжение, можно в некоторых пределах менять толщину запорного слоя и, следовательно, резонансную частоту нашего излучателя. Это позволяет работать в некотором диапазоне частот.
Следующая проблема, которую можно решить методами квантовой акустики, — прямое усиление звуковых волн. Применяющиеся в практике и привычные нам звуковые волны обладают ничтожными мощностями. Чтобы пояснить это, я позволю себе привести известный школьный пример: если бы мы захотели энергией речи вскипятить чайник воды, то для этого все население Киева должно было бы кричать без перерыва двое суток. Поэтому, чтобы с речью можно было что-то сделать (например, записать на магнитную ленту в магнитофоне), ее нужно предварительно усилить.
К сожалению, до недавнего времени мы не умели усиливать непосредственно звуковые колебания и вообще не умели усиливать никакие колебания, кроме электромагнитных. Звук, свет, тепловое излучение мы были вынуждены предварительно преобразовать в электрические колебания, а затем уже усиливать их до нужной величины.
Так, например, для того, чтобы произвести запись на магнитную ленту в магнитофоне, нужно вначале при помощи микрофона превратить звук в колебания электрического тока и усилить их электронным усилителем. Только тогда величина энергии достигнет того минимального значения, при котором на магнитной ленте останется «след». При воспроизведении запись считывается с ленты, опять усиливается и подается на громкоговоритель, преобразующий усиленные электрические колебания в звук требуемой громкости.
Таким образом, нам приходится дважды осуществлять преобразование энергии — при помощи микрофона и при помощи громкоговорителя. Так как коэффициенты полезного действия этих приборов очень малы и составляют около 1 %, преобразование связано с большими потерями энергии. От усилителя требуется, чтобы он компенсировал эти потери и сверх того давал нужное усиление.
Получается нелепое положение. Пусть, например, требуется усилить звук в 100 раз. При преобразованиях первоначальная мощность сигнала уменьшается в 10 000 раз (100 раз от микрофона и 100 раз от громкоговорителя). Вот и приходится делать усилитель с усилением в миллион раз для того, чтобы усилить первоначальный сигнал в 100 раз; все остальное идет на компенсацию потерь при преобразовании.
Без электронных усилителей не обойтись в радиовещании, в звуковом кино, в телевидении. Аналогичное положение имеет место и в области ультразвуковой техники — в области неслышимых звуков. В электронных счетно-решающих машинах, в радиолокаторах и других подобных устройствах применяются так называемые линии задержки, Как показывает само название, они предназначены для временной задержки сигнала. Для чего нужна задержка сигнала?
Дело в том, что счетная машина работает методом сравнения. Считая, она сравнивает полученный результат с опорными точками программы. Для такого сравнения сосчитанный результат надо зафиксировать. Если он имеет существенное значение и будет использоваться несколько раз, его фиксируют при помощи так называемой долгосрочной памяти — записывают на магнитную ленту. Если же результат нужен только один раз, а затем будет «выброшен в корзину», то нет смысла его записывать. Его «запоминают», задерживают во времени на тысячные доли секунды для того, чтобы успеть сравнить с другой величиной. Эта память называется оперативной. Линии задержки являются одним из видов такой оперативной памяти.
Проще всего, конечно, было бы для задержки сигнала направить его по кабелю большой длины. Но, так как скорость распространения сигнала по кабелю исчисляется десятками тысяч километров в секунду, то задержка сигнала на одну миллисекунду потребовала бы кабеля длиною в десятки километров. А так как в машине линий задержки много, то только для них пришлось бы строить здание огромных размеров. Поэтому для задержки сигналов применяются металлические стержни, по которым распространяются ультразвуковые колебания. Скорость их, как известно, много меньше скорости распространения электромагнитных колебаний.
Линия задержки устроена следующим образом. К одной стороне металлического стержня прикреплен излучатель — пьезоэлектрическая пластинка. На нее подаются импульсы тока, соответствующие сосчитанному числу. Пьезоэлектрическая пластинка преобразовывает эти импульсы в импульсы упругих волн, которые бегут по стерженьку. На другом конце стержня находится еще одна пьезоэлектрическая пластинка, которая преобразовывает звук, бегущий по стержню, в электрические импульсы. Таким образом, сосчитанный результат задерживается на время, необходимое машине на подсчет второго результата. Машина считает второе число, а первое бежит по стерженьку. Длина стержня подобрана так, чтобы оба результата пришли к другому концу стержня одновременно. Здесь, в конце стержня, импульсы сравниваются. (Длину стержня легко вычислить, зная скорость распространения звука в данном веществе).
Чтобы линия задержки работала, надо поставить два преобразователя — две пьезоэлектрические пластинки. Потери энергии в этих преобразователях очень велики. КПД одной пьезоэлектрической пластинки — около процента, поэтому на каждой линии задержки первоначальная энергия падает в десять тысяч раз, и после каждой линии задержки приходится ставить ламповый или полупроводниковый усилитель, чтобы восстановить первоначальную мощность сигнала.
В каждой счетно-решающей машине сотни и тысячи линий задержки и, следовательно, столько же усилителей. Каждая лишняя лампа (или полупроводниковый элемент) требует места, энергии, ухода при эксплуатации, а таких линий задержки в машинах много. И все же до последнего времени со всеми этими неприятностями приходилось мириться: другого пути не было.
Квантовая акустика открывает новые возможности. Оказывается, можно сделать так, чтобы при своем движении по стержню ультразвуковой импульс не только не ослаблялся бы, а, наоборот, усиливался, и притом в такой степени, чтобы это усиление компенсировало потери на двукратное преобразование и даже давало бы некоторый дополнительный выигрыш.
Принцип усиления звука, о котором я хочу рассказать, позволит обходиться без усилителей в линиях задержки. Можно будет усиливать звуковые колебания непосредственно, не переводя их в электрические.
Если не вдаваться в слишком уж тонкие детали, процесс прямого усиления звука происходит приблизительно следующим образом, Для решения нашей задачи нужно взять стержень, сделанный не из металла, а из пьезоэлектрического материала, причем этот пьезоэлектрик должен быть к тому же полупроводником. Этим условиям удовлетворяют кристаллы сернистого кадмия, селенистого кадмия и, вероятно, некоторые другие пока неизвестные нам вещества.
Сернистый кадмий применяется в электронной технике в качестве фотосопротивления: его электрическое сопротивление меняется в зависимости от степени его освещенности. В темноте он хороший изолятор. При освещении в нем появляются свободные электроны. Это свойство сернистого кадмия — как раз то, что нам нужно. Теперь представьте себе, что к торцам стержня, сделанного из сернистого кадмия, приложили металлические электроды и подвели постоянное напряжение. Затем стержень осветили ярким светом. (Материал, из которого сделан стержень, прозрачен.) Под действием света в толще материала появляются «свободные электроны. А так как к стержню приложено постоянное напряжение, электроны начинают двигаться от отрицательного электрода к положительному. Электроны движутся хаотически, как толпа пешеходов, в которой одни путники идут немного быстрее, другие — медленнее. Но в среднем все электроны движутся более или менее одинаково, с одинаковой средней скоростью. Эта средняя скорость зависит от напряжения. Больше напряжение — больше скорость, меньше напряжение — меньше скорость.
Введем теперь в стержень звук, например, ударим по торцу стержня молотком. Тогда вдоль стержня побежит звуковая волна, состоящая из группы последовательно чередующихся сжатий и разрежений. Но материал стержня обладает пьезоэлектрическими свойствами. Это значит, что если где-нибудь в его толще существует напряженное состояние — сжатие или разрежение,— то в этом месте появится электрическое поле. Если напряженное состояние перемещается вдоль стержня, как это имеет место при распространении звука, электрическое поле движется, сопровождая это напряженное состояние.
Что же происходит, когда вдоль стержня одновременно движутся электроны, «рожденные» в толще материала светом, и электрическое поле, сопровождающее звуковую волну? Между дрейфующими электронами и движущимся электрическим полем возникают силы взаимодействия. Если подобрать постоянное напряжение на электродах так, чтобы скорость электронов была немного больше скорости упругой волны, то электроны будут как бы «тянуть» за собой звуковой импульс. Но звуковая волна не может двигаться быстрее: скорость звука постоянна, она определяется только упругими свойствами среды. Поэтому силы взаимодействия между движущимися электронами и переменным электрическим полем будут создавать дополнительные механические усилия, то есть будут увеличивать амплитуду звуковых колебаний, распространяющихся вдоль стержня.
Первые же проведенные эксперименты показали, что на расстоянии в 10—12 мм удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса в десятки тысяч раз. Сейчас ведется детальное изучение этого явления, поиск полупроводниковых пьезоэлектрических материалов, которые позволили бы добиться наилучших результатов, изучаются и совершенствуются способы выращивания кристаллов, из которых можно вырезать стержни нужных размеров и т. д.
Квантово-акустические усилители обладают еще одним очень интересным свойством. Как известно, порог действия каждого усилителя определяется его собственным шумом. Если уровень подаваемого сигнала меньше, чем собственный шум усилителя, сигнал усилить нельзя. Он будет полностью замаскирован шумом усилителя. Шум квантово-акустического усилителя, как, впрочем, и шум квантово-радиотехнических и световых приборов, определяется только хаотическим тепловым движением электронов. Если охладить такую систему до температуры, близкой к абсолютному нулю, то шум снижается до ничтожной величины, и усилитель может воспринимать необычайно слабый сигнал. По подсчетам американских ученых, чувствительность квантово-акустического усилителя в идеальных условиях такова, что он может обнаружить относительную механическую деформацию, равную 10 в -35 степени! Это совершенно фантастическая цифра!
Если ее расшифровать, то получается, что можно обнаружить напряженное состояние стержня длиною в миллиард световых лет, один из концов которого колеблется с амплитудой в одну сотую микрона! Делать прогнозы о том, как пройдет работа по созданию акустических лазеров, как они – будут использоваться, пока трудно.
Автор: Л. Розенберг.