Звуко-электроника и ее значение в физике

Представьте: человек начинает говорить и у него сразу же темнеет в глазах. То же самое случится, если он хлопочет в ладоши или стукнет кулаком по столу. Так могло бы происходить, будь звуковые волны непрозрачны для света. Тогда, расходясь от источника звука, они окружат его оболочкой, внутрь которой свет не может попасть. Правда, по мере затухания звука «стенки» оболочки будут утончатся, пока не станут прозрачными, и тогда темнота рассеется. Но стоит снова возбудить звук — и он опять на короткое время «затмит свет».

Несладкой была бы жизнь человека среди звуковых волн, загораживающих дорогу свету. К счастью, слышимые нашим ухом звуки этим не грешат. И даже ультразвуки, которые издает, например, летучая мышь, отнюдь не обволакивают ее мраком. Но если мы поднимемся по шкале частот звуковых колебаний еще выше…

До недавнего времени рекордом была частота около миллиарда колебаний в секунду. Дальше простиралась таинственная область гиперзвука или, как его еще называют, ультраультразвука. Проникнуть в нее оказалось нелегким делом.

Обычно в излучателях и приемниках ультразвука используют пластинки из пьезоэлектриков. В электрическом поле они слегка меняют свои размеры. Если поле будет переменным, пластинка начнет вибрировать, становясь генератором звука. Она же может служить и приемником звука. Под действием звуковых колебаний на поверхности ее появляются заряды, а внутри возникает переменное электрическое поле, которое регистрируется приборами.

На первый взгляд, с помощью пьезоэлектриков можно получать ультразвуковые колебания любой частоты. Ведь она в точности равна частоте колебаний поля, которую нетрудно сделать любой.

К сожалению, на самом деле все не так-то просто. Для эффективной работы излучателя или приемника надо, чтобы толщина пластинки соответствовала половине длины звуковой волны. В этом случае пластинка играет роль резонатора. Но чем выше частота, тем меньше длина волны и тем тоньше должна быть пластинка. Пока речь идет о миллиметрах — ничего. Однако в области очень высоких частот требуются пластинки толщиной в микроны. Попробуй-ка, сделай такую — не выйдет.

Правда, на худой конец можно довольствоваться и пластинкой с большей толщиной, чем хотелось бы. Но тогда мы не обеспечим резонанса, и амплитуда колебаний будет невелика. То есть ультразвук получиться слабеньким. К этому добавляется еще одна малоприятная вещь. Чем чаще звуковые колебания, тем быстрее они затухают. Наш слабенький ультразвук заглохнет, едва успев возникнуть. Понятно, что толку от него будет немного.

Словом, получить гиперзвуковые колебания — это сложная проблема. Однако ученым все же удалось (как — это вы узнаете чуть позже) с ней справиться. И овчинка стоила выделки: исследователи попали в удивительный мир ультраультразвука с частотой до 20 миллиардов герц!

Скорость звука в твердом веществе составляет около четырех километров в секунду. По скорости и частоте легко найти длину волны. При частоте несколько миллиардов герц она получается такой же, как и у видимого света.

Что же, во многих случаях этот звук и ведет себя, как свет. Проходя через вещество, он «замечает» не только атомы или шныряющие между ними электроны, но и фотоны – кванты света. И, самое интересное, взаимодействует с ними.

Ничего особенного тут нет. На это способен даже «обычный» ультразвук. Если через прозрачный кристалл, по которому он распространяется, пропустить сбоку луч света, то можно увидеть дифракционный узор — чередование светлых и темных полос. Это бесспорный признак взаимодействия.

Однако ультраультразвук взаимодействует со светом иначе. Когда он сталкивается со светом под прямым углом, то никаких полос не увидишь. Так же, как не увидишь их, если пропускать через прозрачный кристалл два взаимно перпендикулярных луча света. Другое дело, если звук и свет сталкиваются под острым углом. При этом свет отражается от звуковых волн, словно от зеркала.

Нечто подобное физикам известно. Рентгеновские лучи (как и свет, это тоже электромагнитные колебания, но с очень маленькой длиной волны) могут отражаться от слоя атомов в кристалле. Это явление называют эффектом Брэгга — в честь ученого, который его обнаружил.

Но между отражением от звука и от слоя атомов есть большая разница. Рентгеновские лучи отражаются от неподвижной поверхности. А звуковое «зеркало»? В этом случае отражающая поверхность движется со скоростью звука. Тут наблюдается еще одно явление — эффект Допплера. Суть его в том, что при отражении от движущегося предмета, частота света (или звука — это все равно) меняется.

Например, если отражающая поверхность — в нашем случае звуковая волна — движется от источника света, то частота отраженного света уменьшится. При этом как следует из законов квантовой механики, меньше станет и энергия световых квантов. На что же свет потратил свою энергию? Нетрудно сообразить: отдал ее звуковой волне. В результате звук должен усилиться!

Ясно, что на этом принципе можно создать усилитель звука. Такая возможность появилась с освоением ультраультразвуковой «целины». Как же все-таки это удалось сделать?

Уже говорилось, что колебания очень большой частоты в веществе быстро затухают. Однако затухание с понижением температуры уменьшается. Более того, подобно электрическому току, звук при очень низких температурах проходит через некоторые вещества, почти не теряя энергии, то есть почти не затухая. Это своего рода сверпроводимость, только не электрическая, а звуковая.

Когда ее обнаружили у кварца, акустики пришли в восторг. Ведь у кварца хорошие пьезоэлектрические свойства. А звуковую сверхпроводимость он приобретает уже при 20 градусах абсолютного нуля. Достаточно опустить кварц в жидкий водород, и о затухании звука можно не беспокоиться.

Кварцевый стержень — сердце генератора гиперзвуковых колебаний. Чтобы возбудить их, один конец стержня вставляют в резонирующую полость. Туда по волноводу «накачивают» электромагнитное поле высокой частоты. Оно «барабанит» генератор по торцу стержня и заставляет его вибрировать с такой же частотой. Вдоль стержня бегут ультраультразвуковые колебания.

Кварцевый стержень охлажден до температуры жидкого водорода. И звук в нем почти не затухает. Все же стержень приходится все время «накачивать» звуком. Дело в том, что второй конец стержня тоже помещен в резонирующую полость. Часть звуковой энергии превращается там в электромагнитные колебания, которые можно уловить чувствительными приборами. По их показаниям судят, как кварц поглощает звуки разной частоты при разных температурах.

Причины электрической сверхпроводимости полностью не ясны и по сей день. А ведь это явление знакомо физикам более полувека. Звуковая же сверхпроводимость стала известна лишь недавно. Однако «раскусить» ее оказалось значительно проще, чем электрическую сверхпроводимость. Более того, теория слабозатухающего звука была разработана раньше, чем с ним стали иметь дело экспериментаторы. Это примечательно, ибо обычно бывает наоборот.

Впервые такой звук сообщил о себе с помощью формул, выведенных физиком А. И. Ахиезером. А скрывалось за ним вот что.

Ударили по торцу упругого стержня. В нем немедленно возникают волны механических сжатий и растяжений. Это и есть звуковые колебания. Они заставляют кристаллическую решетку твердого тела вибрировать еще сильнее.

Что значит «еще сильнее»? А то, что решетка никогда не бывает неподвижной. Атомы в ее узлах все время колеблются. Размах этих колебаний зависит от температуры. Выходит, что решетка вибрирует не только от удара по стержню, но и под действием тепла. Другими словами, тепло заставляет кристалл звучать. (Конечно, очень тихо, но, вообще говоря, этот звук можно услышать).

Колеблясь вокруг положения равновесия, атом то получает от своих соседей, то отдает им порции энергии — кванты. При тепловых колебаниях атомов это кванты тепловой энергии. А при звуковых? Разумеется, кванты звуковой энергии. И те, и другие порождаются вибрациями решетки. Поэтому физики называют их одним словом — фононы (по аналогии с фотонами).

Подобно молекулам воздуха в комнате, фононы хаотически движутся внутри твердого тела. Если его температура не меняется, их средняя плотность постоянна. Впрочем, лишь до тех пор, пока мы не возбудим в твердом теле «настоящий» звук.

Он вызовет в фононном «газе» волну сжатий и разряжений. Чтобы сжать воздух или сделать его более разреженным, надо затратить работу. Фононный «газ» в этом смысле не отличается от воздуха. Поэтому звук вынужден отдать ему часть своей энергии. Какой будет результат — догадаться нетрудно. Фононы начинают более энергично «расталкивать» атомы. В результате температура тела повышается. За счет чего? Ну, конечно за счет энергии звука. А сам звук при этом слабеет.

Но отсюда следует любопытный вывод. Степень поглощения звука зависит от плотности фононного «газа». Значит, от температуры. Если вещество охладить, тепловых фононов в нем станет меньше. Вот почему при очень низких температурах наблюдается звуковая сверхпроводимость.

Правда, она обнаружена не у всех веществ. Кроме кварца, ее нашли у чистого германия, кремния, сапфира. Примечательно, что все эти вещества плохо проводят электрический ток. Другими словами, в них нет свободных электронов. А если бы они были? Давайте посмотрим, как звук будет вести себя в кристалле полупроводника, где есть небольшое количество свободных электронов. Как и фононы, электроны тоже отбирают у проходящего мимо них звука энергию.

Только они более требовательны. Особенно электроны полупроводников, обладающих еще и пьезоэлектрическими свойствами. Почему — понять не сложно. Звуковые колебания в таких веществах неразлучны с переменным электрическим полем. Распространяясь вместе со звуком, поле «цепляется» за электроны. Результат зависит от того, что движется быстрее – звук или электроны.

Мы уже знаем, что гиперзвук можно усилить с помощью света. Однако расчеты показывают, что куда выгодней делать это с помощью электронов. Идея такого усилителя звука довольно проста. Колыбелью мощного звука служит стержень из сернистого кадмия. К его торцам подводят постоянное напряжение. Оно заставляет свободные электроны «плыть» вдоль стержня. А теперь пошлем им вдогонку звук. В пьезоэлектрике он всегда движется в сопровождении электрического поля. Сильнее звук — сильнее поле, и наоборот.

Когда электроны в кристалле и звук движутся с постоянной скоростью, ничего особенного не происходит. Но вот мы чуть увеличили напряжение на концах стержня. Скорость дрейфующих вдоль него электронов слегка возрастет. Они начнут обгонять звук, а вместе с ним и бегущее электрическое поле. Но поле «не хочет» их отпускать и как бы цепляется за них. Поэтому электроны вынуждены «тянуть» поле за собой.

Думаете, поле начнет двигаться быстрее? Как бы не так. Ведь оно бежит «в одной упряжке» со звуком. Скорость же звука постоянна. В твердом теле, например, она определяется лишь упругими свойствами кристаллической решетки.

При малейшей попытке звука побежать резвее в решетке возникают дополнительные механические напряжения. Чтобы преодолеть их, звуку приходится увеличивать амплитуду колебаний.

Именно на это и идет энергия, полученная звуком от электронов. А результат? Скорость звука остается прежней. Но зато растет размах колебаний, увеличивается сила звука. Этот способ годится для усиления звука любой частоты. Но особенно выгоден он, когда приходится иметь дело с ультраультразвуком. Например, звук с частотой 10 миллиардов герц можно усилить в миллион раз, заставив его пройти в кристалле путь длиной всего лишь 0,5 миллиметра. Звук от падения пылинки на мягкий ковер можно усилить, таким образом, до грохота взрыва!

Электрический заряд не единственная ценность электрона в глазах акустиков. Столь же важным оказывается и то, что он обладает свойствами крошечного магнитика. Эти свойства порождены вращением электрона вокруг своей оси, или, как говорят физики, его спином.

Обычно электроны в атомах попарно связаны друг с другом, так что их магнитные поля взаимно нейтрализуются. Но в атомах некоторых веществ, например у железа, есть и неспаренные электроны. Они-то и вызывают магнетизм вещества.

Любопытная вещь получается, если кристалл из таких атомов поместить в магнитное поле. Электроны-магнитики расположатся в нем так, что их спиновые оси (для краткости просто: спины) займут какое-то определенное положение: либо по направлению поля, либо против него, либо перпендикулярно ему. Каждому положению соответствует определенный энергетический уровень.

При низкой температуре большинство спинов будет повернуто в такую сторону, чтобы это отвечало меньшей энергии. Другими словами, нижний энергетический уровень окажется «заселен» более густо, чем верхние.

Но это лишь до тех пор, пока атомы (и, разумеется, электроны) сидят на голодном энергетическом «пайке». Однако их можно «подкормить» энергией. Тогда картина изменится.

Ради простоты представим, что у нас лишь два (а не три) энергетических уровня. Чтобы электрон перешел с нижнего на верхний, он должен поглотить порцию энергии — квант. Пусть это будет энергия электромагнитных или звуковых колебаний. При соответствующей частоте (от нее зависит энергия кванта) они начнут поглощаться электронами.

Что же произойдет? Электроны с нижнего уровня станут, поглощая кванты, подниматься на верхний. А с верхнего, наоборот, будут прыгать вниз, испуская «ненужный» квант. Каких же окажется больше?

Вы знаете, что происходит, когда в магазине кончается обеденный перерыв. Открывают дверь, и к прилавкам устремляется поток покупателей. Спустя некоторое время кое-кто направляется уже к выходу. Таких становится все больше. Постепенно число входящих и выходящих примерно уравнивается.

Легко понять, что с электронами будет то же самое. Сначала большинство устремится на верхний уровень. В конце концов «плотность населения» там станет такой, как на нижнем. Теперь переселяться наверх уже нет смысла: здесь так же тесно, как и внизу. Может показаться, что все это представляет лишь теоретический интерес. В самом деле, какую из этого можно извлечь пользу?

А вот какую. Вспомните принцип квантового генератора света — лазера. В кристалле рубина атомы хрома «впитывают» свет ртутной лампы, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Их там собирается столько, что они начинают «сталкивать» друг друга «вниз». Возникает мощная лавина световых квантов, которые выбрасываются из кристалла в виде ослепительного луча. Яркостью он во много раз превосходит ртутную лампу. Получается, что свет лампы с помощью рубина усиливается. И еще как — миллионнократно!

На подобном же принципе можно сделать, оказывается, и квантовый генератор звука. Точнее — гиперзвука. Вот как работает один из таких приборов. Он создан американским физиком Г. Туккером. Самая важная его часть — кристалл из парамагнитного вещества, то есть вещества со слабыми магнитными свойствами. Электроны в нем могут находиться на одном из трех энергетических уровней: нижнем, среднем или верхнем. Но если кристалл охладить, почти все они соберутся на нижнем уровне.

Поможем электронам «расселиться». Для этого достаточно возбудить в кристалле электромагнитные колебания. Частота их подбирается такой, чтобы энергия электромагнитных квантов соответствовала разнице между нижним и верхним уровнями. Ясно, к чему это приведет. Поглощая кванты, электроны станут перебираться наверх. Вскоре заселенность нижнего уровня и верхнего станет примерно одинаковой. Ну, а теперь?

Есть еще один уровень — средний. Попасть на него электрон может двумя путями: либо спустившись с верхнего уровня, либо поднявшись с нижнего. Конечно, нас интересует лишь первый путь — ведь в этом случае электрон не поглощает квант, а, наоборот, выбрасывает его.

К кристаллу прижат кварцевый брусок. В нем возбуждается ультразвук с такой частотой, чтобы энергия квантов звуковой энергии соответствовала разнице между верхним и средним уровнями. Из кварца звук попадает в парамагнитный кристалл. Там звуковые кванты поглощаются электронами.

Думаете, в результате звук заглохнет? Нет, звук только усилится! И вот как это произойдет. Поглотив квант звуковой энергии, электрон с помощью верхнего уровня теряет право там находиться. У него теперь больше энергии, чем положено. Поэтому он немедленно от нее избавляется: выбрасывает поглощенный квант. И — самое важное — в придачу испускает еще точно такой же. А сам перескакивает на средний уровень. Электрон среднего уровня тоже может поглотить звуковой квант. При этом он ничего не испускает, а просто переходит на верхний уровень. Однако сверху вниз движение более оживленное — наверху больше электронов. «Старания» звука направлены на то, чтобы уравнять заселенность верхнего уровня и среднего. Поэтому звуковых квантов испускается во много раз больше, чем поглощается.

Правда, теперь нарушается равенство между числом электронов на верхнем и нижнем уровне. Но это уже забота электромагнитных колебаний — за счет их энергии непрерывно производится «подкачка» электронов на верхний уровень. А звук в свою очередь непрерывно сбрасывает их на средний уровень. И за каждый потраченный на это квант звук получает два. Понятно, что звук усиливается.

Таким методом можно генерировать сверхмощный звук частотой в десятки миллиардов герц. Никакие пьезоэлектрические устройства на это неспособны. О свойствах гиперзвука мы знаем пока немного. Ученые лишь недавно стали иметь с ним дело. Этому звуку уже намечают на старте поразительные применения.

Звуколокация атомов и отдельных элементарных частиц — вот одна из наиболее заманчивых возможностей. Если «обычный» ультразвук позволяет увидеть крошечную трещину в детали, то ультраультразвук поможет «разглядеть» даже неправильности в размещении атомов кристаллической решетки.

Вычислительная техника и биология, химия и технология — во многих областях науки и техники скажет, по-видимому, свое слово ультраультразвук. У новой науки — звукоэлектроники, появившейся на свет на стыке акустики, электроники, физики, оптики, электричества, магнетизма и многих других отраслей знания, — все пока впереди.

Автор: В. Тоболев.