Акустоэлектроника

Акустоэлектроника - молодая область физики твердого тела - изучает процессы и явления, связанные с возбуждением, распространением и взаимодействием с электронами высокочастотных звуковых волн в твердых телах. Установлено, что электроны способны в миллионы раз усиливать и генерировать звуковые волны, отдавая им свою энергию.

В 1974 г. И. А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В. Л. Гуревичу и В. И. Пустовойту была прусуждена Государственная премия СССР за цикл работ, связанных с созданием теоретических основ акустоэлектроники. Авторы предсказали существование поверхностных звуковых волн нового типа, доказали возможность усиления и генерации объемных и поверхностных звуковых волн в пьезоэлектриках и полупроводниках.

"Акустоэлектроника, - рассказывает доктор физико-математических наук, профессор В. И. Пустовойт, - имеет предысторию. В начале нашего века немецкий физик Э. Мах заметил, что если тело движется со сверхзвуковой скоростью в жидкости или газе, то возникает излучение звуковых волн. В 1934 г. лауреаты Нобелевской премии П. А. Черенков, И. М. Франк и И. Е. Тамм предложили теорию излучения электромагнитных волн электроном, движущимся в среде со сверхсветовой скоростью. Затем была изобретена лампа бегущей волны и т. д. Нам удалось доказать, что аналогичный процесс возможен в полупроводниках.

В настоящее время акустоэлектроника занимает значительное место в физике полупроводников и диэлектриков. Она оказалась очень тонким орудием исследования свойств твердых тел, открыла широкие возможности для создания новых приборов. Возьмем такой пример. Ведется локация какого-либо объекта, ну, скажем, планеты или спутника. Чтобы судить о форме небесного тела, его размерах, скорости движения и т. д., нужно сравнить два сигнала - посланный и отраженный от объекта. А для этого надо, чтобы первоначальный сигнал, прежде чем потухнуть, чуточку задержался во времени. Такую же задачу приходится решать и для вычислительных машин, и для навигационных приборов, и т. п. Акустоэлектроника позволяет создавать простые, надежные и дешевые устройства, которые помогают решать эту задачу".

Акустоэлектронные приборы вытесняют устройства на полупроводниковых и других элементах. Они миниатюрнее, дешевле, надежнее, потребляют меньше энергии при большем КПД. Для их изготовления не нужна принципиально новая технология - вполне подходит та, что предназначена для интегральных микросхем.

"Акустоэлектроника, - говорит доктор физико-математических наук Ю. В. Гуляев, - действительно позволяет построить совершенно новые приборы. Эффект взаимодействия акустических волн с электронами открывает путь к созданию компактных сканеров и модуляторов излучения. Сейчас ученые работают над созданием плоских телевизоров без электронно-лучевых трубок. Акустоэлектроника расширяет возможности ультразвуковой микроскопии и диагностики, гиперзвуковой локации.

Но не следует думать, что акустоэлектроника сделает полупроводники полностью ненужными. С ее помощью удалось не только улучшить свойства полупроводников, но и обнаружить у них новые качества. Открылась заманчивая возможность создать гибридные устройства, сочетающие в себе свойства полупроводниковых интегральных микросхем и акустоэлектронных приборов".

Акустомагнетоэлектрический эффект

Советские ученые доктор физико-математических наук Ю. В. Гуляев и кандидат физико-математических наук Э. М. Эпштейн (Институт радиотехники и электроники АН СССР), доктор физико-математических наук А. А. Гринберг и кандидат физико-математических наук Н. И, Крамер (Физико-технический институт АН СССР), кандидат физико-математических наук А. П. Королюк и научный сотрудник В. Ф. Рой (Институт радиофизики и электроники АН УССР) открыли акустомагнетоэлектрический эффект в проводящей среде.

Известно, что многие свойства веществ, как твердых, так и жидких и газообразных, обусловлены наличием в них свободных электронов, т. е. таких, которые оторвались от атомов и способны переносить заряд. К таким свойствам относятся электропроводность, теплопроводность, магнитные и оптические свойства и т. д. Они лежат в основе действия электронных приборов, так прочно вошедших в нашу жизнь, - электронных ламп, транзисторов, термогенераторов, квантовых генераторов и др.

Характеристики этих приборов зависят от того, какие электроны в них "работают". Дело в том, что электроны могут обладать разными энергиями и скоростями, быть по-разному связанными с атомами - находиться в разных энергетических состояниях - и вследствие этого неодинаково вести себя в электронных приборах. Для правильного конструирования электронных приборов крайне необходимо "рассортировать" электроны по их энергетическим состояниям.

Авторам открытия как раз и удалось "рассортировать" электроны с помощью высокочастотного ультразвука. Сначала они предсказали, а затем обнаружили экспериментально, что ультразвук с частотой десятки миллионов колебаний в секунду и выше, проходя через проводящую среду, сортирует электроны по энергетическим состояниям.

"Такой ультразвук, "продирающийся" сквозь газ электронов, - рассказывает Ю. В. Гуляев, - можно представить как стиральную доску бесконечной длины, этакую рифленую ленту, которую протаскивают с постоянной скоростью сквозь облако летающих пыльных пузырей. Очевидно, что мыльные пузыри, находящиеся высоко над доской, с более нагретым воздухом внутри, т. е. "горячие", - они в нашей аналогии знаменуют электроны с большой энергией - будут увлекаться доской очень слабо, в то время как "холодные" пузыри, находящиеся непосредственно около доски (электроны с низкой энергией), будут постоянно за нее задевать и двигаться за ней. Таким образом, доска будет увлекать, в основном "холодные" пузыри, т. е. отделять их от "горячих". Примерно так высокочастотный ультразвук отделяет "горячие" электроны от "холодных".

По существу, ученым удалось открыть целый класс кинетических явлений в проводящей среде, где движущей и разделяющей силой для электронов служит ультразвук, подобно тому как при гальваномагнитных и термомагнитных явлениях такой движущей силой является электрическое поле или перепад температур. Ультразвук как бы выделяет определенную группу электронов и позволяет детально проанализировать их свойства.

Акустомагнетоэлектрический эффект состоит в следующем. Если поперек направления распространения звука наложить магнитное поле, то электроны, которые увлекаются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к возникновению поперечного тока или, если образец разомкнут в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но магнитное поле отклоняет электроны разных скоростей по-разному, поэтому величина и даже знак ЭДС (если образец разомкнут и в продольном направлении) показывают, какие электроны увлекаются звуком, т. е. каковы свойства электронного газа в данной среде.

Из серии эффектов, связанных с явлением "сортировки" электронов звуком, очень интересен еще один. В каждом веществе звук увлекает за собой группу электронов, характерную именно для данного вещества. Если звук проходит через границу двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, например более "холодные" более "горячими". При этом от границы будет уноситься тепло, а сама граница будет охлаждаться.

Данный эффект похож на известный эффект Пельтье (выделение или поглощение тепла на контакте двух проводников при пропускании тока через них), на основе которого делают холодильники. Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта Пельтье состоит в том, что он не исчезает даже при очень низких температурах и охлаждение может продолжаться до температур, близких к абсолютному нулю. Возможно, в будущем таким способом удастся получать сверхнизкие температуры.

Открытое явление, несомненно, послужит основой как для разработки новых методов исследования проводящих сред, так и для создания целого ряда новых электронных приборов и других технических устройств.

Открытие зарегистрировано под № 133 с приоритетом от 31 января 1964 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление возникновения в телах, проводящих ток, помещенных в магнитное поле, при прохождении через них звука электродвижущей силы поперек направления распространения звука, обусловленной взаимодействием со звуковой волной носителей заряда, находящихся в различных энергетических состояниях".

Акустический парамагнитный резонанс

Доктор физико-математических наук С. А. Альтшулер (Казанский государственный университет имени В. И. Ульянова-Ленина) открыл явление резонансного поглощения звука в парамагнетиках. Оно получило название акустического парамагнитного резонанса.

Автор открытия теоретически доказал, что в парамагнетиках имеет место резонансное поглощение энергии звуковых колебаний, когда частота звука совпадает с частотой квантовых переходов между магнитными подуровнями атомов или ядер с неравными нулю магнитными моментами. После подробного рассмотрения разных типов парамагнетиков и различных механизмов спин-финной связи С. А. Альтшулер установил полную возможность экспериментального обнаружения эффекта резонансного поглощения звука. Он показал, что акустический парамагнитный резонанс отличается своеобразными правилами отбора для квантовых переходов между магнитными подуровнями, необычной зависимостью от частоты звука и ориентации приложенного магнитного поля. Осуществленные позднее экспериментальные исследования в нашей стране, США, Франции и Англии подтвердили теоретические положения автора открытия.

Научное значение открытия заключается прежде всего в том, что была обнаружена возможность при помощи ультра- и гиперзвука возбуждать квантовые системы. Акустический парамагнитный резонанс оказался эффективным методом исследования, существенно дополняющим известные методы электронного и ядерного магнитного резонанса в изучении энергетического спектра спин-системы и электронной структуры твердых тел. Особенно ценно то, что открытие можно использовать для получения прямой и детальной информации о спин-фонных взаимодействиях и механизмах спин-решеточной релаксации.

Простота возбуждения гиперзвука в пьезоэлектриках делает акустический парамагнитный резонанс удобным методом исследования свойств пьезо- и ферроэлектри-ческих кристаллов. В отсутствии скин-эффекта кроются серьезные преимущества для использования акустического парамагнитного резонанса применительно к металлам. Для детектирования акустического парамагнитного резонанса применяются насыщение обычного магнитного резонанса, оптические и другие методы исследования. Практическое значение могут иметь квантовые усилители и генераторы гиперзвука на основе акустического парамагнитного резонанса. Сильные спин-фонные взаимодействия парамагнитных атомов с четным числом электронов открывают возможность использования акустического парамагнитного резонанса в аналитических целях, в частности для обнаружения небольших парамагнитных примесей в кристаллах.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР с приоритетом от 9 июня 1952 г. Оно сформулировано так:

"Теоретически установлено неизвестное ранее явление резонансного поглощения звука в парамагнетиках, обусловленное спин-фонными взаимодействиями и наступающее вблизи частот звука и квантовых переходов между магнитными подуровнями тела, обладающего электронным либо ядерным парамагнетизмом".