Квантовая акустика. Продолжение.

квантовая акустика

Квантовая акустика открывает новые возможности. Оказывается, можно сделать так, чтобы при своем движении по стержню ультразвуковой импульс не только не ослаблялся бы, а, наоборот, усиливался, и притом в такой степени, чтобы это усиление компенсировало потери на двукратное преобразование и даже давало бы некоторый дополнительный выигрыш.

Принцип усиления звука, о котором я хочу рассказать, позволит обходиться без усилителей в линиях задержки. Можно будет усиливать звуковые колебания непосредственно, не переводя их в электрические.

Если не вдаваться в слишком уж тонкие детали, процесс прямого усиления звука происходит приблизительно следующим образом, Для решения нашей задачи нужно взять стержень, сделанный не из металла, а из пьезоэлектрического материала, причем этот пьезоэлектрик должен быть к тому же полупроводником. Этим условиям удовлетворяют кристаллы сернистого кадмия, селенистого кадмия и, вероятно, некоторые другие пока неизвестные нам вещества.

Сернистый кадмий применяется в электронной технике в качестве фотосопротивления: его электрическое сопротивление меняется в зависимости от степени его освещенности. В темноте он хороший изолятор. При освещении в нем появляются свободные электроны. Это свойство сернистого кадмия — как раз то, что нам нужно. Теперь представьте себе, что к торцам стержня, сделанного из сернистого кадмия, приложили металлические электроды и подвели постоянное напряжение. Затем стержень осветили ярким светом. (Материал, из которого сделан стержень, прозрачен.) Под действием света в толще материала появляются «свободные электроны. А так как к стержню приложено постоянное напряжение, электроны начинают двигаться от отрицательного электрода к положительному. Электроны движутся хаотически, как толпа пешеходов, в которой одни путники идут немного быстрее, другие — медленнее. Но в среднем все электроны движутся более или менее одинаково, с одинаковой средней скоростью. Эта средняя скорость зависит от напряжения. Больше напряжение — больше скорость, меньше напряжение — меньше скорость.

Введем теперь в стержень звук, например, ударим по торцу стержня молотком. Тогда вдоль стержня побежит звуковая волна, состоящая из группы последовательно чередующихся сжатий и разрежений. Но материал стержня обладает пьезоэлектрическими свойствами. Это значит, что если где-нибудь в его толще существует напряженное состояние — сжатие или разрежение,— то в этом месте появится электрическое поле. Если напряженное состояние перемещается вдоль стержня, как это имеет место при распространении звука, электрическое поле движется, сопровождая это напряженное состояние.

Что же происходит, когда вдоль стержня одновременно движутся электроны, «рожденные» в толще материала светом, и электрическое поле, сопровождающее звуковую волну? Между дрейфующими электронами и движущимся электрическим полем возникают силы взаимодействия. Если подобрать постоянное напряжение на электродах так, чтобы скорость электронов была немного больше скорости упругой волны, то электроны будут как бы «тянуть» за собой звуковой импульс. Но звуковая волна не может двигаться быстрее: скорость звука постоянна, она определяется только упругими свойствами среды. Поэтому силы взаимодействия между движущимися электронами и переменным электрическим полем будут создавать дополнительные механические усилия, то есть будут увеличивать амплитуду звуковых колебаний, распространяющихся вдоль стержня.

Первые же проведенные эксперименты показали, что на расстоянии в 10—12 мм удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса в десятки тысяч раз. Сейчас ведется детальное изучение этого явления, поиск полупроводниковых пьезоэлектрических материалов, которые позволили бы добиться наилучших результатов, изучаются и совершенствуются способы выращивания кристаллов, из которых можно вырезать стержни нужных размеров и т. д.

Квантово-акустические усилители обладают еще одним очень интересным свойством. Как известно, порог действия каждого усилителя определяется его собственным шумом. Если уровень подаваемого сигнала меньше, чем собственный шум усилителя, сигнал усилить нельзя. Он будет полностью замаскирован шумом усилителя. Шум квантово-акустического усилителя, как, впрочем, и шум квантово-радиотехнических и световых приборов, определяется только хаотическим тепловым движением электронов. Если охладить такую систему до температуры, близкой к абсолютному нулю, то шум снижается до ничтожной величины, и усилитель может воспринимать необычайно слабый сигнал. По подсчетам американских ученых, чувствительность квантово-акустического усилителя в идеальных условиях такова, что он может обнаружить относительную механическую деформацию, равную 10 в -35 степени! Это совершенно фантастическая цифра!

Если ее расшифровать, то получается, что можно обнаружить напряженное состояние стержня длиною в миллиард световых лет, один из концов которого колеблется с амплитудой в одну сотую микрона! Делать прогнозы о том, как пройдет работа по созданию акустических лазеров, как они — будут использоваться, пока трудно.

Автор: Л. Розенберг.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что квантовая акустика могла бы стать отличной темой для дипломной работы по физике. И даже если вы думаете просто купить диплом в Москве, Питере, или каком-нибудь другом городе, то в качестве темы дипломной смело можете брать акустику, и тем более квантовую.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *