Звуко-електроніка та її значення у фізиці

Уявіть: людина починає говорити і у неї відразу ж темніє в очах. Те ж саме станеться, якщо вона клопочеться в долоні або стукне кулаком по столу. Так могло б відбуватися, будь звукові хвилі непрозорі для світла. Тоді, розходячись від джерела звуку, вони оточать його оболонкою, всередину якої світло не може потрапити. Правда, у міру загасання звуку «стінки» оболонки будуть тоншати, поки не стануть прозорими, і тоді темрява розсіється. Але варто знову порушити звук – і він знову на короткий час «затьмарить світло».

Несолодким було б життя людини серед звукових хвиль, що загороджують дорогу світлу. На щастя, чутні нашим вухом звуки цим не грішать. І навіть ультразвуки, які видає, наприклад, кажан, аж ніяк не обволікають його мороком. Але якщо ми піднімемося за шкалою частот звукових коливань ще вище…

До недавнього часу рекордом була частота близько мільярда коливань в секунду. Далі простягалася таємнича область гіперзвуку або, як його ще називають, ультраультразвуку. Проникнути в неї виявилося нелегкою справою.

Зазвичай у випромінювачах і приймачах ультразвуку використовують пластинки з п’єзоелектриків. В електричному полі вони злегка змінюють свої розміри. Якщо поле буде змінним, платівка почне вібрувати, стаючи генератором звуку. Вона ж може служити і приймачем звуку. Під дією звукових коливань на поверхні її з’являються заряди, а всередині виникає змінне електричне поле, яке реєструється приладами.

На перший погляд, за допомогою п’єзоелектриків можна отримувати ультразвукові коливання будь-якої частоти. Адже вона в точності дорівнює частоті коливань поля, яке неважко зробити будь-яким.

На жаль, насправді все не так-то просто. Для ефективної роботи випромінювача або приймача треба, щоб товщина пластинки відповідала половині довжини звукової хвилі. В цьому випадку пластинка грає роль резонатора. Але чим вище частота, тим менше довжина хвилі і тим тонше повинна бути платівка. Поки мова йде про міліметри – нічого. Однак в області дуже високих частот потрібні пластинки товщиною в мікрони. Спробуй-но, зроби таку – не вийде.

Правда, на худий кінець можна задовольнятися і платівкою з більшою товщиною, ніж хотілося б. Але тоді ми не забезпечимо резонансу, і амплітуда коливань буде невелика. Тобто ультразвук вийде слабеньким. До цього додається ще одна малоприємна річ. Чим частіше звукові коливання, тим швидше вони згасають. Наш слабенький ультразвук затихне, ледве встигнувши виникнути. Зрозуміло, що толку від нього буде небагато.

Словом, отримати гіперзвукові коливання – це складна проблема. Однак вченим все ж таки вдалося (як – це ви дізнаєтеся трохи пізніше) з нею впоратися. І овчинка варта була вичинки: дослідники потрапили у дивовижний світ ультраультразвуку з частотою до 20 мільярдів герц!

Швидкість звуку в твердої речовини становить близько чотирьох кілометрів в секунду. За швидкістю і частотою легко знайти довжину хвилі. При частоті кілька мільярдів герц вона виходить така ж, як і у видимого світла.

Що ж, у багатьох випадках цей звук і поводиться, як світло. Проходячи через речовину, він «помічає» не тільки атоми або шниряючі між ними електрони, а й фотони – кванти світла. І, найцікавіше, взаємодіє з ними.

Нічого особливого тут немає. На це здатний навіть «звичайний» ультразвук. Якщо через прозорий кристал, за яким він поширюється, пропустити збоку промінь світла, то можна побачити дифракційний візерунок – чергування світлих і темних смуг. Це безперечна ознака взаємодії.

Однак ультраультразвук взаємодіє зі світлом інакше. Коли він стикається зі світлом під прямим кутом, то ніяких смуг не побачиш. Так само, як не побачиш їх, якщо пропускати через прозорий кристал два взаємно перпендикулярних променя світла. Інша справа, якщо звук і світло стикаються під гострим кутом. При цьому світло відбивається від звукових хвиль, немов від дзеркала.

Щось подібне фізикам відомо. Рентгенівські промені (як і світло, це теж електромагнітні коливання, але з дуже маленькою довжиною хвилі) можуть відбиватися від шару атомів в кристалі. Це явище називають ефектом Брегга – на честь вченого, який його виявив.

Але між відбиванням від звуку і від шару атомів є велика різниця. Рентгенівські промені відбиваються від нерухомої поверхні. А звукове «дзеркало»? У цьому випадку поверхня, що відбиває рухається зі швидкістю звуку. Тут спостерігається ще одне явище – ефект Доплера. Суть його в тому, що при відбиванні від рухомого предмета, частота світла (або звуку – це все одно) змінюється.

Наприклад, якщо поверхня, що відбиває – в нашому випадку звукова хвиля – рухається від джерела світла, то частота відбитого світла зменшиться. При цьому як випливає з законів квантової механіки, менше стане і енергія світлових квантів. На що ж світло витратило свою енергію? Неважко здогадатися: віддало її звуковій хвилі. В результаті звук повинен підсилитися!

Ясно, що на цьому принципі можна створити підсилювач звуку. Така можливість з’явилася з освоєнням ультраультразвукової «цілини». Як же все-таки це вдалося зробити?

Вже говорилося, що коливання дуже великої частоти в речовині швидко згасає. Однак загасання з пониженням температури зменшується. Більш того, подібно до електричного струму, звук при дуже низьких температурах проходить через деякі речовини, майже не втрачаючи енергії, тобто майже не затухаючи. Це свого роду надпровідність, тільки не електрична, а звукова.

Коли її виявили у кварцу, акустики прийшли в захват. Адже у кварцу хороші п’єзоелектричні властивості. А звукову надпровідність він набуває вже при 20 градусах абсолютного нуля. Досить опустити кварц у рідкий водень, і про загасання звуку можна не турбуватися.

Кварцовий стрижень – серце генератора гіперзвукових коливань. Щоб порушити їх, один кінець стержня вставляють в резонуючу порожнину. Туди «накачують» електромагнітне поле високої частоти. Воно «барабанить» генератор по торцю стержня і змушує його вібрувати з такою ж частотою. Вздовж стрижня біжать ультраультразвукові коливання.

Кварцовий стрижень охолоджений до температури рідкого водню. І звук в ньому майже не згасає. Все ж стрижень доводиться весь час «накачувати» звуком. Справа в тому, що другий кінець стрижня теж поміщений в резонуючі порожнини. Частина звукової енергії перетворюється там в електромагнітні коливання, які можна вловити чутливими приладами. За їхніми свідченнями судять, як кварц поглинає звуки різної частоти при різних температурах.

Причини електричної надпровідності повністю не ясні і по цей день. А адже це явище знайоме фізикам понад півстоліття. Звукова ж надпровідність стала відома лише недавно. Однак «розкусити» її виявилося значно простіше, ніж електричну надпровідність. Більш того, теорія слабкішого звуку була розроблена раніше, ніж з ним стали мати справу експериментатори. Це примітно, бо зазвичай буває навпаки.

Вперше такий звук повідомив про себе за допомогою формул, виведених фізиком А. І. Ахізером. А ховалося за ним ось що.

Вдарили по торцю пружного стрижня. У ньому негайно виникають хвилі механічних стиснень і розтягувань. Це і є звукові коливання. Вони змушують кристалічну решітку твердого тіла вібрувати ще сильніше.

Що значить «ще сильніше»? А те, що решітка ніколи не буває нерухомою. Атоми в її вузлах весь час коливаються. Розмах цих коливань залежить від температури. Виходить, що решітка вібрує не тільки від удару по стрижню, але і під дією тепла. Іншими словами, тепло змушує кристал звучати. (Звичайно, дуже тихо, але, взагалі кажучи, цей звук можна почути).

Коливаючись навколо положення рівноваги, атом то отримує від своїх сусідів, то віддає їм порції енергії – кванти. При теплових коливаннях атомів це кванти теплової енергії. А при звукових? Зрозуміло, кванти звукової енергії. І ті, і інші породжуються вібраціями решітки. Тому фізики називають їх одним словом – фонони (по аналогії з фотонами).

Подібно до молекул повітря в кімнаті, фонони хаотично рухаються всередині твердого тіла. Якщо його температура не змінюється, їх середня щільність постійна. Втім, лише до тих пір, поки ми не порушимо в твердому тілі «справжній» звук.

Він викличе у фононному «газі» хвилю стиснень і розряджень. Щоб стиснути повітря або зробити його більш розрідженим, треба затратити роботу. Фононний «газ» в цьому сенсі не відрізняється від повітря. Тому звук змушений віддати йому частину своєї енергії. Який буде результат – здогадатися неважко. Фонони починають енергійніше «розштовхувати» атоми. В результаті температура тіла підвищується. За рахунок чого? Ну, звичайно за рахунок енергії звуку. А сам звук при цьому слабшає.

Але це означає цікавий висновок. Ступінь поглинання звуку залежить від щільності фононного «газу». Значить, від температури. Якщо речовину охолодити, теплових фононів в ній стане менше. Ось чому при дуже низьких температурах спостерігається звукова надпровідність.

Правда, вона виявлена не у всіх речовинах. Крім кварцу, її знайшли у чистого германію, кремнію, сапфіра. Примітно, що всі ці речовини погано проводять електричний струм. Іншими словами, в них немає вільних електронів. А якби вони були? Давайте подивимося, як звук буде вести себе в кристалі напівпровідника, де є невелика кількість вільних електронів. Як і фонони, електрони теж відбирають у звуку енергію.

Тільки вони більш вимогливі. Особливо електрони напівпровідників, що володіють ще і п’єзоелектричними властивостями. Чому – зрозуміти не складно. Звукові коливання в таких речовинах нерозлучні зі змінним електричним полем. Поширюючись разом зі звуком, поле «чіпляється» за електрони. Результат залежить від того, що рухається швидше – звук або електрони.

Ми вже знаємо, що гіперзвук можна підсилити за допомогою світла. Однак розрахунки показують, що куди вигідніше робити це за допомогою електронів. Ідея такого підсилювача звуку досить проста. Колискою потужного звуку служить стрижень з сірчистого кадмію. До його торців підводять постійну напругу. Воно змушує вільні електрони «плисти» вздовж стрижня. А тепер пошлемо їм навздогін звук. У п’єзоелектриці він завжди рухається в супроводі електричного поля. Сильніше звук – сильніше поле, і навпаки.

Коли електрони в кристалі і звук рухаються з постійною швидкістю, нічого особливого не відбувається. Але ось ми трохи збільшили напругу на кінцях стержня. Швидкість дрейфуючих вздовж нього електронів злегка зросте. Вони почнуть обганяти звук, а разом з ним і біжить електричне поле. Але поле «не хоче» їх відпускати і як би чіпляється за них. Тому електрони змушені «тягнути» поле за собою.

Думаєте, поле почне рухатися швидше? Як би не так. Адже воно біжить «в одній упряжці» зі звуком. Швидкість же звуку постійна. У твердому тілі, наприклад, вона визначається лише пружними властивостями кристалічної решітки.

При найменшій спробі звуку побігти швидше в решітці виникають додаткові механічні напруги. Щоб подолати їх, звуку доводиться збільшувати амплітуду коливань.

Саме на це і йде енергія, отримана звуком від електронів. А результат? Швидкість звуку залишається колишньою. Але зате зростає розмах коливань, збільшується сила звуку. Цей спосіб годиться для посилення звуку будь-якої частоти. Але особливо вигідний він, коли доводиться мати справу з ультраультразвуком. Наприклад, звук з частотою 10 мільярдів герц можна посилити в мільйон разів, змусивши його пройти в кристалі шлях довжиною всього лише 0,5 міліметра. Звук від падіння пилинки на м’який килим можна посилити, таким чином, до гуркоту вибуху!

Електричний заряд не єдина цінність електрона в очах акустиків. Настільки ж важливим виявляється і те, що він має властивості крихітного магнітика. Ці властивості породжені обертанням електрона навколо своєї осі, або, як кажуть фізики, його спіном.

Зазвичай електрони в атомах попарно пов’язані один з одним, так що їх магнітні поля взаємно нейтралізуються. Але в атомах деяких речовин, наприклад у заліза, є і неспарені електрони. Вони-то і викликають магнетизм речовини.

Цікава річ виходить, якщо кристал з таких атомів помістити в магнітне поле. Електрони-магнітики розташуються в ньому так, що їх спінові осі (для стислості просто: спіни) займуть якесь певне положення: або у напрямку поля, або проти нього, або перпендикулярно йому. Кожному положенню відповідає певний енергетичний рівень.

При низькій температурі більшість спінів буде повернуто в таку сторону, щоб це відповідало меншій енергії. Іншими словами, нижній енергетичний рівень виявиться «заселений» рясніше, ніж верхні.

Але це лише до тих пір, поки атоми (і, зрозуміло, електрони) сидять на голодному енергетичному «пайку». Однак їх можна «підгодувати» енергією. Тоді картина зміниться.

Заради простоти уявімо, що у нас лише два (а не три) енергетичних рівня. Щоб електрон перейшов з нижнього на верхній, він повинен поглинути порцію енергії – квант. Нехай це буде енергія електромагнітних або звукових коливань. При відповідній частоті (від неї залежить енергія кванта) вони почнуть поглинатися електронами.

Що ж станеться? Електрони з нижнього рівня стануть, поглинаючи кванти, підніматися на верхній. А з верхнього, навпаки, будуть стрибати вниз, випускаючи «непотрібний» квант. Яких же виявиться більше?

Ви знаєте, що відбувається, коли в магазині закінчується обідня перерва. Відкривають двері, і до прилавків спрямовується потік покупців. Через деякий час дехто прямує вже до виходу. Таких стає все більше. Поступово число тих, що входять і виходять приблизно зрівнюється.

Легко зрозуміти, що з електронами буде те ж саме. Спочатку більшість кинеться на верхній рівень. Зрештою «щільність населення» там стане такою, як на нижньому. Тепер переселятися наверх вже немає сенсу: тут так само тісно, як і внизу. Може скластися враження, що все це представляє лише теоретичний інтерес. Справді, яку з цього можна отримати користь?

А ось яку. Згадайте принцип квантового генератора світла – лазера. У кристалі рубіна атоми хрому «вбирають» світло ртутної лампи, піднімаючись на більш високий енергетичний рівень. Їх там збирається стільки, що вони починають «зіштовхувати» один одного «вниз». Виникає потужна лавина світлових квантів, які викидаються з кристала у вигляді сліпучого променя. Яскравістю він у багато разів перевершує ртутну лампу. Виходить, що світло лампи за допомогою рубіна посилюється. І ще як – в мільйони разів!

На подібному ж принципі можна зробити, виявляється, і квантовий генератор звуку. Точніше – гіперзвуку. Ось як працює один з таких приладів. Він створений американським фізиком Г. Туккером. Найважливіша його частина – кристал з парамагнітної речовини, тобто речовини зі слабкими магнітними властивостями. Електрони в ньому можуть перебувати на одному з трьох енергетичних рівнів: нижньому, середньому або верхньому. Але якщо кристал охолодити, майже всі вони зберуться на нижньому рівні.

Допоможемо електронам «розселитися». Для цього досить порушити в кристалі електромагнітні коливання. Частота їх підбирається така, щоб енергія електромагнітних квантів відповідала різниці між нижнім і верхнім рівнями. Ясно, до чого це призведе. Поглинаючи кванти, електрони стануть перебиратися наверх. Незабаром заселеність нижнього рівня і верхнього стане приблизно однаковою. Ну, а тепер?

Є ще один рівень – середній. Потрапити на нього електрон може двома шляхами: або спустившись з верхнього рівня, або піднявшись з нижнього. Звичайно, нас цікавить лише перший шлях – адже в цьому випадку електрон не поглинає квант, а, навпаки, викидає його.

До кристалу притиснутий кварцовий брусок. У ньому порушується ультразвук з такою частотою, щоб енергія квантів звукової енергії відповідала різниці між верхнім і середнім рівнями. З кварцу звук потрапляє в парамагнітний кристал. Там звукові кванти поглинаються електронами.

Думаєте, в результаті звук затихне? Ні, звук тільки посилиться! І ось як це станеться. Поглинувши квант звукової енергії, електрон за допомогою верхнього рівня втрачає право там перебувати. У нього тепер більше енергії, ніж належить. Тому він негайно від неї позбувається: викидає поглинений квант. І – найважливіше – на додачу випускає ще точно такий же. А сам перескакує на середній рівень. Електрон середнього рівня теж може поглинути звуковий квант. При цьому він нічого не випускає, а просто переходить на верхній рівень. Однак зверху вниз рух більш жвавий – нагорі більше електронів. «Намагання» звуку спрямовані на те, щоб зрівняти заселеність верхнього рівня і середнього. Тому звукових квантів випускається у багато разів більше, ніж поглинається.

Правда, тепер порушується рівність між числом електронів на верхньому і нижньому рівні. Але це вже турбота електромагнітних коливань – за рахунок їх енергії безперервно проводиться «підкачка» електронів на верхній рівень. А звук в свою чергу безперервно скидає їх на середній рівень. І за кожен витрачений на це квант звук отримує два. Зрозуміло, що звук посилюється.

Таким методом можна генерувати надпотужний звук частотою в десятки мільярдів герц. Ніякі п’єзоелектричні пристрої на це не здатні. Про властивості гіперзвуку ми знаємо поки небагато. Вчені лише недавно стали мати з ним справу. Цьому звуку вже намічають на старті вражаючі застосування.

Звуколокація атомів і окремих елементарних частинок – ось одна з найбільш привабливих можливостей. Якщо «звичайний» ультразвук дозволяє побачити крихітну тріщину в деталі, то ультраультразвук допоможе «розгледіти» навіть неправильності в розміщенні атомів кристалічної решітки.

Обчислювальна техніка та біологія, хімія і технологія – в багатьох областях науки і техніки скаже, мабуть, своє слово ультраультразвук. У нової науки – звукоелектроніки, що з’явилася на світ на стику акустики, електроніки, фізики, оптики, електрики, магнетизму і багатьох інших галузей знання, – все поки попереду.

Автор: В. Тоболів.