Рэлеевские волны

В 1885 году английский физик Рэлей проводил исследования акустических поверхностных волн, которые распространяются по поверхности земного шара, не уходя в его глубины. Рэлеевские волны, как их потом назвали, сыграли огромную роль в рождении новой науки – акустоэлектроники. Но сначала ученые о них просто... забыли. Даже во второй половине 20 ст. вообще не было ясно, стоит ли заниматься ими вновь.

Рэлеевские волны сыграли огромную роль в рождении акустоэлектроники

Рэлеевские волны особые, непохожие на другие известные типы волн. Все дело в том, что в твердом теле атомы образуют кристаллическую решетку, и смещение одного атома передается всем его соседям. Механическое воздействие на атомы в твердом теле порождает в нем звуковые волны. Когда распространяется продольная волна, кристалл испытывает попеременное сжатие и растяжение в направлении движения волны. Деформация как бы катится по всей длине кристалла. Другой тип – поперечная, или сдвиговая волна вызывает колебания атомов решетки в направлении, перпендикулярном распространению волны. Продольные и поперечные волны имеют одно общее свойство: они распространяются во всей толще кристалла, то есть – объемны.

В кристаллах в тонком поверхностном слое толщиной в несколько десятков микрон могут возникать рэлеевские волны. Но частицы вещества, при этом, колеблются одновременно как в продольном, так и в поперечном направлении. Наряду со сжатием и растяжением слои вещества сдвигаются параллельно друг другу. Занимательно и то, что рэлеевские волны легко возбуждать и принимать в любой точке поверхности кристалла.

А нельзя ли превратить электрические сигналы в звуковые рэлеевские волны, которые в процессе движения по кристаллу можно будет изменять, а потом снова превращать в электрические сигналы? В этом случае кристалл может служить в качестве преобразователя электрических сигналов, подобно полупроводникам.

В этом деле рэлееевские волны поддержали, окрытые еще в 1880 году, пьезоэлектрические кристаллы. Механические деформации в пьезокристалле вызывают в нем появление внутренних электрических полей. И наоборот, электрические поля, приложенные к таким кристаллам, порождают в них механические напряжения той же частоты.

Для этого на поверхность кристалла в вакууме напылили два серебряных электрода, подав на которые переменный электрический сигнал, возбудили в кристалле акустические волны. Когда деформация достигла другого конца кристалла, на нем появился переменный электрический заряд, который приняли с помощью другой пары подобных электродов. Но сигнал на них был значительно меньше входного. Попытались использовать сразу несколько пар возбуждающих электродов, расположив их друг за другом, на одном из концов кристалла. Если расстояние между парами электродов сделать таким, чтобы рэлеевские волны проходили его за время, в точности равное периоду колебаний, то рэлеевские волны, догоняя друг друга, будут взаимно усиливаться и на выходе возникнет довольно мощный электрический сигнал, который оказался на несколько десятков процентов меньше входного. Как же сделать так, чтобы рэлеевские волны усиливались, путешествуя внутри кристалла?

Электромагнитную волну можно представить в виде квантов электромагнитной энергии – фотонов, а звуковую волну как поток квантов звуковой энергии – фононов. Как частицы, фононы могут сталкиваться друг с другом, а также и с другими частицами, например, с электронами. Создав на концах проводника разность потенциалов, в нем возникнет упорядоченное движение электронов. Пустим теперь в том же направлении звуковую волну. Если скорость электронов будет меньше скорости волны, то фононы, сталкиваясь с электронами, будут отдавать им часть своей энергии. Электроны начнут ускоряться, а волна – ослабевать. И, наоборот. Если электроны движутся быстрее волны, они догоняют фононы и отдают им свою энергию. Произойдет усиление звуковой волны.

В 1964 году физики Ю. Гуляев и В Пустовойт таким образом усилили в сотни миллионов раз рэлеевские волны, напылив полупроводник на поверхность пьезоэлектрика. Получилась своеобразная слойка. Электроны текут себе в полупроводнике, а звуковые рэлеевские волны – в пьезоэлектрике. На границе соприкосновения двух материалов происходит гонка электронов и фононов. На этой границе и подгоняют электроны звуковые рэлеевские волны, усиливая их.

Инструменты