Hiperhang - rugalmas hullámok 10 9 Hz - től kezdődően . Fizikai természeténél fogva a hiperhang nem különbözik a hangtól és az ultrahanghullámoktól . A hiperhangot gyakran kvázirészecskék- fononok folyamaként ábrázolják .
Levegőben normál körülmények között a hiperhang az erős elnyelés miatt nem terjed. A legjelentősebbek a hiperhang és a közegben lévő kvázirészecskék közötti kölcsönhatások – vezetési elektronokkal , termikus fononokkal és magnonokkal .
A hiperhang frekvenciatartomány megfelel az elektromágneses rezgések frekvenciájának deciméteres, centiméteres és milliméteres tartományban (az úgynevezett szupermagas frekvenciák – SHF). A mikrohullámú elektromágneses rezgések generálásának és fogadásának technikájával sikerült megszerezni és megkezdeni a ~ 10 11 Hz-es hiperhangfrekvenciák vizsgálatát.
A 10 9 Hz-es frekvencia levegőben normál légköri nyomáson és szobahőmérsékleten 3,4 10 -5 cm-es vagy 340 nm-es hiperszonikus hullámhossznak felel meg, vagyis ez a hosszúság megegyezik a molekulák szabad útjával a levegőben ilyen körülmények között. Mivel a rugalmas hullámok csak akkor terjedhetnek el rugalmas közegben, ha ezeknek a hullámoknak a hullámhossza észrevehetően nagyobb, mint a gázok átlagos szabad útja (vagy folyadékokban és szilárd anyagokban nagyobb, mint az atomok közötti távolság), a hiperszonikus hullámok nem terjednek a levegőben, gázok normál légköri nyomáson. Folyadékokban a hiperhang csillapítása nagyon nagy, a terjedési tartomány pedig rövid. A hiperhang viszonylag jó vezetői szilárd anyagok egykristályok formájában , de főleg csak alacsony hőmérsékleten. Így például még egy kvarc egykristályban is, amelyet a rugalmas hullámok csekély csillapítása jellemez, 1,5 10 9 Hz frekvencián a kristály X tengelye mentén szobahőmérsékleten terjedő longitudinális hiperszonikus hullám amplitúdója csillapodik. 2-szeresére, ha csak 1 cm-es távolságon halad át. Vannak azonban a kvarcnál jobb hiperhangvezetők, amelyekben a túlhang csillapítása sokkal kisebb (például zafír , lítium-niobát , ittrium-vas - gránát egykristálya stb.).
A hiperszonikus hullámokat sokáig nem lehetett mesterségesen előállítani (ez az egyik oka annak, hogy a rugalmas hullámok spektrumának ezt a "hiperhangnak" nevezett tartományát választották ki), ezért termikus eredetű hiperhangot vizsgáltak. A szilárd kristálytestet valamilyen térfogati térhálóként ábrázolhatjuk, amelynek csomópontjaiban atomok vagy ionok helyezkednek el. A hőmozgás ezen atomok folyamatos és véletlenszerű rezgései az egyensúlyi helyzet körül. Az ilyen rezgések különböző frekvenciájú hosszirányú és keresztirányú sík rugalmas hullámok halmazának tekinthetők - egy adott test rugalmas rezgésének legalacsonyabb természetes frekvenciáitól a 10 12 - 10 13 Hz-es frekvenciákig (a továbbiakban a rugalmas hullámok spektruma véget ér) , minden lehetséges irányba terjed. Ezeket a hullámokat Debye -hullámoknak vagy termikus fononoknak is nevezik .
A fonon egy kristályrács vagy egy kvázirészecske elemi gerjesztése. A fonon egy bizonyos frekvenciájú sík rugalmas hullámnak felel meg, ahogy a foton egy bizonyos frekvenciájú sík elektromágneses hullámnak. A termikus fononok frekvenciatartománya széles, míg a mesterségesen előállított hiperhangnak bármilyen meghatározott frekvenciája lehet. Ezért a mesterségesen előállított hiperhang koherens fononok folyamaként ábrázolható . Folyadékokban a hőmozgás jellege közel áll a szilárd anyagok hőmozgásához, ezért a folyadékokban, akárcsak a szilárd anyagokban, a hőmozgás folyamatosan inkoherens hiperszonikus hullámokat generál.
Mielőtt lehetővé vált volna a hiperhang mesterséges előállítása, a hiperszonikus hullámok, valamint folyadékokban és szilárd anyagokban való terjedésük vizsgálata elsősorban optikai módszerrel történt. A termikus hiperhang jelenléte optikailag átlátszó közegben fényszóródáshoz vezet több, a hiperhang frekvenciával eltolt spektrumvonal képződésével, az ún. Mandelstam-Brillouin szórás . A hiperhang vizsgálata számos folyadékban a hiperhang terjedési sebességének a frekvenciától való függőségének és a hiperhang anomáliás abszorpciójának felfedezéséhez vezetett (lásd a hangszóródást ).
A hiperhang generálására és fogadására szolgáló modern módszerek főként a piezoelektromos jelenségek felhasználásán alapulnak (elektromos töltések megjelenése piezoelektromos kristály felületén, például kvarclemezen , bizonyos módon vágva mechanikai hatás hatására deformáció, és fordítva, az elektromos térbe helyezett kristály deformációja) és a magnetostrikció (a test alakjának és méreteinek változása a mágnesezés során és a mágnesezettség változása deformáció során).
A hiperhang generálására az egyik leggyakoribb módszer a gerjesztés egy piezoelektromos kristály felületéről. Ehhez az utóbbit a végfelületével a rezonátor azon részébe kell helyezni, ahol a mikrohullámú elektromos tér maximális intenzitása van; ha a kristály nem piezoelektromos, akkor vékony piezoelektromos filmet viszünk fel a végére, például kadmium-szulfidból. Mikrohullámú elektromos tér hatására azonos frekvenciával változó deformáció lép fel, amely hiperhang sebességgel terjed át a kristályon hosszanti, vagy nyíróhullám formájában. Ebben az esetben maga a kristály végfelülete szolgál ennek a hullámnak a forrásaként. A mechanikai deformáció viszont elektromos töltés megjelenését idézi elő a kristály felületén, így a hiperhang is hasonló módon vehető.
Amikor a rugalmas hullámok szabad töltéshordozókat nem tartalmazó dielektromos kristályokban terjednek, ezek a hullámok a termikus fononokkal való nemlineáris kölcsönhatásuk miatt gyengülnek. Ennek a kölcsönhatásnak a természete és így a csillapítás természete a terjedő hullámok frekvenciájától függ. Ha a frekvencia alacsony (ultrahang tartomány), akkor a hullám csak a termikus fononok egyensúlyi eloszlását zavarja meg, ami aztán a köztük lévő véletlenszerű rugalmatlan ütközések miatt helyreáll; ebben az esetben a hullám energiája elvész. Magas hiperszonikus frekvenciák esetén közvetlen nemlineáris kölcsönhatás van a mesterségesen előállított hiperhang és a termikus hiperhang között; a koherens fononok rugalmatlanul ütköznek a termikus fononokkal és átadják nekik energiájukat, ami ebben az esetben meghatározza a hiperhang energiaveszteségét. A hőmérséklet csökkenésével a termikus fononok „kifagynak”, számuk csökken. Ennek megfelelően az ultrahang és a hiperhang csillapítása a hőmérséklet csökkenésével jelentősen csökken.
A félvezetők és fémek kristályaiban, ahol vezetési elektronok vannak, a hiperhang terjedése során a hiperhangnak a termikus fononokkal való kölcsönhatása mellett a hiperhang és az elektronok kölcsönhatása is fennáll. Az ilyen kristályokban terjedő rugalmas hullám szinte mindig hangsebességű lokális elektromos teret hordoz. Ennek oka az a tény, hogy a hullám deformálja a kristályrácsot, kiszorítva az atomokat vagy ionokat egyensúlyi helyzetükből, ami az intrakristályos elektromos mezők megváltozásához vezet. A keletkező elektromos mezők megváltoztatják a vezetési elektronok mozgását és energiaspektrumukat. Másrészt, ha valamilyen okból a vezetési elektronok állapotában változás történik, akkor az intrakristályos mezők megváltoznak, ami deformációkat okoz a kristályban. Így a vezetési elektronok fononokkal való kölcsönhatását a fononok abszorpciója vagy emissziója kíséri.
A fémekben a vezetési elektronokon tapasztalható hiperhangcsillapítás vizsgálata lehetővé teszi a fémek fontos jellemzőinek ( relaxációs idők , Fermi-felület , szupravezetők energiarésének stb.) vizsgálatát.
A mesterséges vagy koherens fononok és elektronok közötti kölcsönhatás ultrahangnál és különösen hiperszonikus frekvenciáknál válik jelentőssé piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező félvezetőkben (például egy kadmium-szulfid kristály, amelyben a fononok és a vezetési elektronok közötti kölcsönhatás nagyon erős). Ha a kristályra állandó elektromos mezőt alkalmazunk, amelynek nagysága olyan, hogy az elektronok sebessége valamivel nagyobb, mint a rugalmas hullám sebessége, akkor az elektronok megelőzik a rugalmas hullámot, energiát adva neki és felerősítve azt. , azaz a rugalmas hullámok felerősödnek. A koherens fononok és elektronok közötti kölcsönhatás az akusztoelektromos hatáshoz is vezet - ez a jelenség abból áll, hogy a fononok, lendületüket adva az elektronoknak, állandó emf -et és állandó elektromos áramot hoznak létre a kristályban. Abban az esetben, ha az elektronok energiát adnak a rugalmas hullámnak, akkor az akusztikus emf is fellép, de ennek ellenkező előjele van.
A hiperhang elektronokkal való kölcsönhatását tekintve figyelembe kell venni azt a tényt, hogy az elektronnak a tömegen és a töltésen kívül megvan a maga mechanikai nyomatéka ( spin ) és a hozzá tartozó mágneses momentum , valamint egy keringési mágneses momentum. A pályamágneses momentum és a spin között spin-pálya kölcsönhatás áll fenn : ha a pálya dőlésszöge megváltozik, a spin iránya is megváltozik valamelyest. Megfelelő frekvenciájú és polarizált hiperhang áthaladása az atomok mágneses állapotának megváltozását okozhatja. Így a paramágneses kristályokban 10 10 Hz-es nagyságrendű hiperhang-frekvenciáknál a hiperhang kölcsönhatása a spin-pályarendszerrel például az akusztikus paramágneses rezonancia (APR) jelenségében fejeződik ki, amely hasonló az elektronparamágneses rezonanciához . (EPR), és a hiperhang szelektív abszorpciójából áll az egyik mágneses szinttel rendelkező atomok másikra való átmenete következtében. Az APR segítségével lehetőség nyílik az EPR számára tiltott paramágnesek atomszintjei közötti átmenetek tanulmányozására.
Koherens fononok spin-pályarendszerrel való kölcsönhatásának felhasználásával alacsony hőmérsékleten lehetőség nyílik paramágneses kristályokban hiperszonikus hullámok erősítésére és generálására a kvantumgenerátorok működéséhez hasonló elven (lásd kvantumelektronika ). A mágnesesen rendezett kristályokban ( ferromágnesek , antiferromágnesek , ferritek ) a hiperszonikus hullám terjedése spinhullám megjelenését okozza (a hullámként továbbított mágneses momentum változása), és fordítva, a spinhullám hiperszonikus hullám megjelenését idézi elő. . Így az egyik típusú hullám egy másikat generál, ezért általában nem tisztán spin és rugalmas hullámok terjednek az ilyen kristályokban, hanem kapcsolt mágnesesen rugalmas hullámok.
A hiperhang és a fénnyel való kölcsönhatás, mint fentebb említettük, a hő eredetű hiperhang általi fényszóródásban nyilvánul meg, de ennek a kölcsönhatásnak a hatékonysága nagyon alacsony. Azonban egy erős fényforrás (például egy erős rubin lézerimpulzus ) használatával a rugalmas hullám észrevehető erősítését érheti el a beeső fény hatására. Ennek eredményeként több tíz kilowatt teljesítményű kristályban lehet intenzív hiperszonikus hullámot generálni. A felerősített rugalmas hullám viszont nagyobb mértékben szórja a beeső fényt, így bizonyos körülmények között a szórt fény intenzitása a beeső fényével azonos nagyságrendű lehet; ezt a jelenséget stimulált Mandelstam-Brillouin szórásnak nevezik .
Így a hiperhang tulajdonságai lehetővé teszik, hogy eszközként használhassuk az anyag állapotának vizsgálatához. Különösen nagy jelentősége van a szilárdtestfizika tanulmányozásában. A műszaki alkalmazások területén, melynek fejlesztése még csak most kezdődik, felhasználása az ún. akusztikus késleltetési vonalak a mikrohullámú tartományban (ultrahangos késleltetési vonalak).