Релеївські хвилі

У 1885 році англійський фізик Релей проводив дослідження акустичних поверхневих хвиль, які поширюються по поверхні земної кулі, не йдучи в його глибини. Релеївські хвилі, як їх потім назвали, зіграли величезну роль в народженні нової науки – акустоелектроніки. Але спочатку вчені про них просто … забули. Навіть у другій половині 20 ст. взагалі не було ясно, чи варто займатися ними знову.

Релеївські хвилі особливі, не схожі на інші відомі типи хвиль. Вся справа в тому, що в твердому тілі атоми утворюють кристалічну решітку, і зміщення одного атома передається всім його сусідам. Механічний вплив на атоми в твердому тілі породжує в ньому звукові хвилі. Коли поширюється поздовжня хвиля, кристал відчуває позмінне стиснення і розтягнення в напрямку руху хвилі. Деформація як би котиться по всій довжині кристала. Інший тип – поперечна, або зсувна хвиля викликає коливання атомів решітки в напрямку, перпендикулярному поширенню хвилі. Поздовжні і поперечні хвилі мають одну загальну властивість: вони поширюються у всій товщі кристала, тобто – об’ємні.

У кристалах в тонкому поверхневому шарі товщиною в кілька десятків мікрон можуть виникати релєєвського хвилі. Але частинки речовини, при цьому, коливаються одночасно як в поздовжньому, так і в поперечному напрямку. Поряд із стисненням і розтягненням шари речовини зсуваються паралельно один одному. Цікаво і те, що релєєвського хвилі легко порушувати і приймати в будь-якій точці поверхні кристала.

А чи не можна перетворити електричні сигнали в звукові релєєвського хвилі, які в процесі руху по кристалу можна буде змінювати, а потім знову перетворювати в електричні сигнали? В цьому випадку кристал може служити в якості перетворювача електричних сигналів, подібно напівпровідників.

У цій справі релееевскіе хвилі підтримали, окритія ще в 1880 році, п’єзоелектричні кристали. Механічні деформації в п’єзокристал викликають в ньому появу внутрішніх електричних полів. І навпаки, електричні поля, прикладені до таких кристалів, породжують в них механічні напруги тієї ж частоти.

Для цього на поверхню кристала в вакуумі напилю два срібних електрода, подавши на які змінний електричний сигнал, порушили в кристалі акустичні хвилі. Коли деформація досягла іншого кінця кристала, на ньому з’явився змінний електричний заряд, який прийняли за допомогою іншої пари подібних електродів. Але сигнал на них був значно менше вхідного. Спробували використовувати відразу кілька пар збуджуючих електродів, розташувавши їх один за одним, на одному з кінців кристала. Якщо відстань між парами електродів зробити таким, щоб релєєвського хвилі проходили його за час, в точності дорівнює періоду коливань, то релєєвського хвилі, наздоганяючи один одного, будуть взаємно посилюватися і на виході виникне досить потужний електричний сигнал, який виявився на кілька десятків відсотків менше вхідного . Як же зробити так, щоб релєєвського хвилі посилювалися, подорожуючи усередині кристала?

Електромагнітну хвилю можна представити у вигляді квантів електромагнітної енергії – фотонів, а звукову хвилю як потік квантів звукової енергії – фононів. Як частинки, фонони можуть стикатися один з одним, а також і з іншими частинками, наприклад, з електронами. Створивши на кінцях провідника різниця потенціалів, в ньому виникне впорядкований рух електронів. Пустимо тепер в тому ж напрямку звукову хвилю. Якщо швидкість електронів буде менше швидкості хвилі, то фонони, стикаючись з електронами, будуть віддавати їм частину своєї енергії. Електрони почнуть прискорюватися, а хвиля – слабшати. І навпаки. Якщо електрони рухаються швидше хвилі, вони наздоганяють фонони і віддають їм свою енергію. Відбудеться посилення звукової хвилі.

У 1964 році фізики Ю. Гуляєв і В Пустовойт таким чином посилили в сотні мільйонів разів релеївські хвилі, напилю напівпровідник на поверхню пьєзоелектрика. Вийшла своєрідна слойка. Електрони течуть собі в напівпровіднику, а звукові релеївські хвилі – в п’єзоелектрик. На кордоні дотику двох матеріалів відбувається гонка електронів і фононів. На цьому кордоні і підганяють електрони звукові релеївські хвилі, посилюючи їх.

...
ПОДІЛИТИСЯ: