Квантова акустика. Продовження.

квантова акустика

Квантова акустика відкриває нові можливості. Виявляється, можна зробити так, щоб при своєму русі по стрижню ультразвуковий імпульс не тільки не послаблявся, а, навпаки, посилювався, і то в такій мірі, щоб це посилення компенсувало втрати на дворазове перетворення і навіть давало б деякий додатковий виграш.

Принцип посилення звуку, про який я хочу розповісти, дозволить обходитися без підсилювачів в лініях затримки. Можна буде посилювати звукові коливання безпосередньо, не переводячи їх в електричні.

Якщо не вдаватися в занадто вже тонкі деталі, процес прямого посилення звуку відбувається приблизно наступним чином, Для вирішення нашої задачі потрібно взяти стрижень, зроблений не з металу, а з п’єзоелектричного матеріалу, причому цей п’єзоелектрик повинен бути до того ж напівпровідником. Цим умовам задовольняють кристали сірчистого кадмію, селенистого кадмію і, ймовірно, деякі інші поки невідомі нам речовини.

Сірчистий кадмій застосовується в електронній техніці як фотоопір: його електричний опір змінюється в залежності від ступеня його освітленості. У темряві він хороший ізолятор. При висвітленні в ньому з’являються вільні електрони. Ця властивість сірчистого кадмію – якраз те, що нам потрібно. Тепер уявіть собі, що до торців стрижня, зробленого з сірчистого кадмію, доклали металеві електроди і підвели постійну напругу. Потім стрижень висвітлили яскравим світлом. (Матеріал, з якого зроблений стрижень, прозорий, до речі, цікаво було б використати схожий матеріал для виготовлення вивісок). Під дією світла в товщі матеріалу з’являються «вільні електрони. А так як до стрижня докладено постійну напругу, електрони починають рухатися від негативного електрода до позитивного. Електрони рухаються хаотично, як натовп пішоходів, в якій одні подорожні йдуть трохи швидше, інші – повільніше. Але в середньому всі електрони рухаються більш-менш однаково, з однаковою середньою швидкістю. Ця середня швидкість залежить від напруги. Більше напруга – більше швидкість, менше напруга – менше швидкість.

Введемо тепер в стрижень звук, наприклад, вдаримо по торцю стержня молотком. Тоді вздовж стрижня побіжить звукова хвиля, що складається з групи послідовного стискування і розрідження. Але матеріал стрижня має п’єзоелектричні властивості. Це означає, що якщо де-небудь в його товщі існує напружений стан – стиснення або розрідження, – то в цьому місці з’явиться електричне поле. Якщо напружений стан переміщується вздовж стрижня, як це має місце при поширенні звуку, електричне поле рухається, супроводжуючи цей напружений стан.

Що ж відбувається, коли вздовж стрижня одночасно рухаються електрони, «народжені» в товщі матеріалу світлом, і електричне поле, що супроводжує звукову хвилю? Між дрейфуючими електронами і рухомим електричним полем виникають сили взаємодії. Якщо підібрати постійну напруга на електродах так, щоб швидкість електронів була трохи більше швидкості пружної хвилі, то електрони будуть як би «тягнути» за собою звуковий імпульс. Але звукова хвиля не може рухатися швидше: швидкість звуку постійна, вона визначається тільки пружними властивостями середовища. Тому сили взаємодії між рухомими електронами і змінним електричним полем будуть створювати додаткові механічні зусилля, тобто будуть збільшувати амплітуду звукових коливань, що поширюються вздовж стрижня.

Перші ж проведені експерименти показали, що на відстані в 10-12 мм вдається отримати посилення ультразвукового імпульсу в десятки тисяч разів. Зараз ведеться детальне вивчення цього явища, пошук напівпровідникових п’єзоелектричних матеріалів, які дозволили б домогтися найкращих результатів, вивчаються і удосконалюються способи вирощування кристалів, з яких можна вирізати стрижні потрібних розмірів і т. д.

Квантово-акустичні підсилювачі володіють ще одною дуже цікавою властивістю. Як відомо, поріг дії кожного підсилювача визначається його власним шумом. Якщо рівень поданого сигналу менше, ніж власний шум підсилювача, сигнал підсилити можна. Він буде повністю замаскований шумом підсилювача. Шум квантово-акустичного підсилювача, як, втім, і шум квантово-радіотехнічних та світлових приладів, визначається тільки хаотичним тепловим рухом електронів. Якщо охолодити таку систему до температури, близької до абсолютного нуля, то шум знижується до нікчемної величини, і підсилювач може сприймати надзвичайно слабкий сигнал. За підрахунками американських вчених, чутливість квантово-акустичного підсилювача в ідеальних умовах така, що він може виявити відносну механічну деформацію, рівну 10 в -35 степені! Це абсолютно фантастична цифра!

Якщо її розшифрувати, то виходить, що можна виявити напружений стан стрижня довжиною в мільярд світлових років, один з кінців якого коливається з амплітудою в одну соту мікрона! Робити прогнози про те, як пройде робота по створенню акустичних лазерів, як вони – будуть використовуватися, поки що важко.

Автор: Л. Розенберг.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *