Гіперзвук , пружні хвилі з частотою від 10 9 до 10 12 —10 13 гц ; високочастотна частина спектру пружних хвиль. По фізичній природі Р. нічим не відрізняється від ультразвука, частоти якого тягнуться від 2·10 4 до 10 9 гц . Проте завдяки вищим частотам і, отже, меншим, ніж в області ультразвука, довжинам хвиль значно істотнішими стають взаємодії Р. з квазічастинками середовища — електронами, фононами, магнонамі і ін.
Область частот Р. відповідає частотам електромагнітних коливань дециметрового, сантиметрового і міліметрового діапазонів (т.з. надвисоким частотам — СВЧ(надвисокі частоти)). Використовуючи техніку генерації і прийому електромагнітних коливань СВЧ(надвисокі частоти), удалося отримати і почати дослідження частот Р. ~ 10 11 гц .
Частоті 10 9 гц в повітрі при нормальному атмосферному тиску і кімнатній температурі відповідає довжина хвилі Р. 3,4·10 -5 см , тобто ця довжина одного порядку з довжиною вільного пробігу молекул в повітрі за цих умов. Оскільки пружні хвилі можуть поширюватися в пружному середовищі лише за умови, що довжини цих хвиль помітно більше довжини вільного пробігу в газах (або більше міжатомних відстаней в рідинах і твердих тілах), то в повітрі і газах при нормальному атмосферному тиску гіперзвукові хвилі не поширюються. У рідинах загасання Р. дуже велике і дальність поширення мала. Порівняно хорошими провідниками Р. є тверді тіла у вигляді монокристалів, але головним чином лише при низьких температурах. Так, наприклад, навіть в монокристалі кварцу, що відрізняється малим загасанням пружних хвиль, на частоті 1,5·10 9 гц подовжня гіперзвукова хвиля, що поширюється уздовж осі Х кристала, при кімнатній температурі ослабляється по амплітуді в 2 рази при проходженні відстані всього в 1 см . Проте є провідники Р. краще за кварц, в яких загасання Р. значно менше (наприклад, монокристали сапфіра, ніобату літію ітрієвого для заліза граната і ін.).
Довгий час гіперзвукові хвилі не удавалося отримувати штучним шляхом (у цьому одна з причин виділення цій області спектру пружних хвиль, названій «гіперзвуком»), тому вивчали Р. теплового походження. Тверде кристалічне тіло можна представити як деякі об'ємні просторові грати, у вузлах якої розташовані атоми або іони. Тепловий рух є безперервним і безладні коливання цих атомів біля положення рівноваги. Такі коливання можна розглядати як сукупність подовжніх і поперечних плоских пружних хвиль самих різних частот — від найнижчих власних частот пружних коливань даного тіла до частот 10 12 —10 13 гц (далі спектр пружних хвиль обривається), що поширюються по всіляких напрямах. Ці хвилі називають також Дебаївськими хвилями, або тепловими фононами .
Фонон є елементарним збудженням грат кристала або квазічастинкою з енергією ћ n і імпульсом ћ n /c , де n — частота, з — швидкість звуку в кристалі і ћ . — постійна Планка. Фонону відповідає плоска пружна хвиля определ. частоти подібно до того, як фотону відповідає плоска електромагнітна хвиля певної частоти. Теплові фонони мають широкий спектр частот, тоді як штучно отримуваний Р. може мати яку-небудь одну певну частоту. Тому Р., що штучно генерується, можна представляти як потік когерентних фононів (див. Когерентність ). У рідинах тепловий рух має характер, близький до характеру теплового руху в твердих тілах, тому в рідинах, як і в твердих тілах, тепловий рух безперервно генерує некогерентні гіперзвукові хвилі.
До того як стало можливим отримувати Р. штучним шляхом, вивчення гіперзвукових хвиль і їх поширення в рідинах і твердих тілах проводилося головним чином оптичним методом. Наявність Р. теплового походження в оптично прозорому середовищі приводить до розсіяння світла з утворенням декількох спектральних ліній, зміщених на частоту Р. n , т.з. Мандельштама — Бріллюена розсіяння . Дослідження Р. у ряді рідин привели до відкриття в них залежності швидкості поширення Р. від частоти і аномального поглинання Р. (див. Дисперсія звуку ).
Сучасні методи генерації і прийому Р. грунтуються головним чином на використанні явищ п'єзоелектрики (виникнення електричних зарядів на поверхні п'єзоелектричного кристала, наприклад на пластинці кварцу, вирізаній певним чином під дією механічної деформації, і, навпаки, деформація кристала, поміщеного в електричне поле) і магнітострикції (зміни форми і розмірів тіла при намагніченні і зміни намагніченості при деформації).
Одним з найбільш поширених методів генерації Р. є збудження Р. з поверхні п'єзоелектричного кристала. Для цього останній своїм торцем поміщається в ту частину резонатора, де є максимальна напруженість електричного поля СВЧ(надвисокі частоти); якщо кристал — не пьезоелектрік, то на його торець наноситься тонка п'єзоелектрична плівка, наприклад з сірчистого кадмію. Під дією електричного поля СВЧ(надвисокі частоти) виникає змінна деформація з тією ж частотою, яка поширюється по кристалу із швидкістю Р. у вигляді подовжньої, або сдвігової, хвилі. При цьому джерелом цієї хвилі служить сама торцева поверхня кристала. У свою чергу, механічна деформація викликає на поверхні кристала появу електричного заряду і, отже, подібним же чином може здійснюватися прийом Р.
При поширенні пружних хвиль в кристалах діелектриків, вільних, що не містять, носіїв зарядів, ці хвилі затухають завдяки їх нелінійній взаємодії з тепловими фононами. Характер цієї взаємодії, а отже, і характер загасання залежать від частоти хвиль, що поширюються. Якщо частота невелика (область ультразвука), то хвиля лише порушує рівноважний розподіл теплових фононів яке завдяки випадковим непружним зіткненням їх між собою потім відновлюється; при цьому відбувається втрата енергії хвилі. В разі високих гіперзвукових частот відбувається безпосередня нелінійна взаємодія Р., що штучно отримується, і Р. теплового походження; когерентні фонони непружним чином стикаються з тепловими фононами і передають їм свою енергію, що в даному випадку і визначає втрату енергії Р. З пониженням температури теплові фонони «виморожуються», їх стає менше. Відповідно цьому загасання ультразвука і Г. при пониженні температури істотно знижується.
При поширенні Р. в кристалах напівпровідників і металів, де є електрони провідності, окрім взаємодії Р. з тепловими фононами, має місце взаємодія Р. з електронами. Пружна хвиля, що поширюється в таких кристалах, майже завжди несе з собою із швидкістю звуку локальне електричне поле. Це пов'язано з тим, що хвиля деформує кристалічну решітку, зміщуючи атоми або іони з їх положення рівноваги, що приводить до зміни внутрішньокристалічних електричних полів. Що виникли електричного поля змінюють рух електронів провідності і їх енергетичний спектр. З іншого боку, якщо чого-небудь відбуваються зміни стану електронів провідності, то змінюються внутрішньокристалічного поля, що викликає деформації в кристалі. Т. о., взаємодія електронів провідності з фононами супроводиться поглинанням або випусканням фононів.
Вивчення загасання Р. в металах на електронах провідності дозволяє досліджувати важливі характеристики металів (часи релаксації, поверхню Фермі, енергетичну щілину в надпровідниках і ін.).
Взаємодія між штучними, або когерентними, фононами і електронами стає істотним в області ультразвукових і особливо в області гіперзвукових частот в напівпровідниках, що володіють п'єзоелектричними властивостями (наприклад, кристал сірчистого кадмію, в якому взаємодія між фононами і електронами провідності дуже сильно). Якщо до кристала прикласти постійне електричне поле, величина якого така, що швидкість електронів буде дещо більше швидкості пружної хвилі, то електрони обганятимуть пружну хвилю, віддаючи їй енергію і підсилюючи її, тобто відбуватиметься посилення пружних хвиль. Взаємодія між когерентними фононами і електронами приводить також до акустоелектрічеському ефекту — явищу, яке полягає в тому, що фонони, віддаючи свій імпульс електронам, створюють в кристалі постійну едс(електрорушійна сила) і постійний електричний струм. У разі, коли електрони віддають енергію пружній хвилі, акусто-едс також виникає, проте має протилежний знак.
Розглядаючи взаємодію Р. з електронами, слід взяти до уваги той факт, що електрон, окрім маси і заряду, володіє ще власним механічним моментом (спином ) і пов'язаним з ним магнітним моментом, а також орбітальним магнітним моментом (див. Атом ). Між орбітальним магнітним моментом і спином має місце спін-орбітальна взаємодія : якщо міняється нахил орбіти, декілька міняється і напрям спину. Проходження Р. відповідної частоти і поляризації може викликати зміну магнітного стану атомів. Так, при частотах Р. порядку 10 10 гц в кристалах парамагнетиків (див. Парамагнетизм ) взаємодія Р. із спін-орбітальною системою виражається, наприклад, в явищі акустичного парамагнітного резонансу (АПР), аналогічного електронному парамагнітному резонансу (ЕПР) і що полягає у виборчого поглинанні Р., обумовленому переходом атомів з одного магнітного рівня на іншій. За допомогою АПР виявляється можливим вивчати переходи між такими рівнями атомів в парамагнетиках, які є забороненими для ЕПР.
Використовуючи взаємодію когерентних фононів із спін-орбітальною системою, можна в парамагнітних кристалах при низьких температурах підсилювати і генерувати гіперзвукові хвилі на принципі, схожому з тим, на якому працюють квантові генератори (див. Квантова електроніка ). У магнітоупорядоченних кристалах (феромагнетики, антиферомагнетики, ферити) поширення гіперзвукової хвилі викликає поява хвилі (зміни магнітного моменту, що передаються у вигляді хвилі) спину і, навпаки, хвиля спину викликає появу гіперзвукової хвилі. Т. о., один тип хвиль породжує інший, тому в загальному випадку в таких кристалах поширюються не чисто хвилі спинів і пружних, а зв'язані магнітно-пружні хвилі.
Взаємодія Р. зі світлом виявляється, як згадувалося вищим, в розсіянні світла на Р. теплового походження, але ефективність цієї взаємодії дуже мала. Проте застосувавши потужне джерело світла (наприклад, імпульс потужного рубінового лазера), можна отримати помітне посилення падаючим світлом пружної хвилі. В результаті можна генерувати інтенсивну гіперзвукову хвилю в кристалі потужністю декілька десятків квт . У свою чергу, посилена пружна хвиля більшою мірою розсіюватиме падаюче світло, так що за певних умов інтенсивність розсіяного світла може бути одного порядку з падаючим; це явище називається вимушеним розсіянням Мандельштама — Бріллюена.
Т. о., властивості Р. дозволяють використовувати його як інструмент дослідження стану речовини. Особливо велике його значення для вивчення фізики твердого тіла. В області технічних вживань, розвиток яких лише починається, вже зараз істотне його використання для т.з. акустичних ліній затримки в області СВЧ(надвисокі частоти) (ультразвукові лінії затримки).
