Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 23 )

Резонанс происходит в области таких магнитных полей, где величина и можно не учитывать индукционное взаимодействие. АЦР проявляется в виде резкой резонансной модуляции геометрических осцилляций поглощения. Геометрический резонанс связан с осцилляциями матричного элемента деформационного взаимодействия. При неквадратичном законе дисперсии максимумы АЦР понижаются, а их форма становится более сложной и асимметричной.

2 Магнитоакустический резонанс – резонансная зависимость поглощения ультразвука от магнитного поля в металлах. Он возникает при наличии дрейфового движения электронов в направлении волнового вектора (даже при низких частотах, , наблюдаются острые максимумы сильного поглощения, разделенные широкими и размытыми минимумами слабого затухания). Этот резонанс, названный магнитоакустическим, имеет место при

,

где – проекция смещения электронов за циклотронный период на вектор ; – длина звуковой волны.

Магнитоакустический резонанс связан не с временной, а с пространственной периодичностью звукового поля в металле. Он наблюдается не только в случае неперпендикулярных векторов и , но и при поперечном (относительно магнитного поля) распространении ультразвука. Для данного резонанса форма кривой поглощения имеет следующий вид:

.

В частности на рис. 5.2 приведена типичная зависимость поглощения ультразвука в олове.

Физический механизм магнитоакустических резонансов связан с возбуждением в металле пространственно-периодического поля. Движение электронов в магнитном поле также является периодическим во времени и пространстве. Если длина волны звука кратна характерному смещению орбиты электрона, возникают условия для резкого изменения поглощения и дисперсии скорости звука. Когда звук распространяется в направлении, перпендикулярном магнитному полю, то среднее смещение электрона вдоль

Рис. . Типическая зависимость поглощения ультразвука в олове от магнитного поля Н при частоте ультразвука 220 МГц

волнового вектора звука за период прецессии равно нулю. При этом в квазистатической области частот, когда переменное поле звуковой волны можно считать статическим в течение времени свободного пробега, наблюдаются осцилляции при равенстве диаметра циклотронной траектории целому числу длин волн звука. Этот эффект получил название геометрического резонанса, или пиппардовских осцилляций. С помощью этого эффекта можно измерять экстремальные импульсы поверхности Ферми (ПФ) в направлении, перпендикулярном волновому вектору звука и вектору магнитного поля. 

Следует отметить, что первые исследования в области АЦР и магнитоакустического резонанса были посвящены изучению поглощения звука в сверхпроводниках. Явление сверхпроводимости, открытое Камерлинг-Онессом в 1911 г., долгое время представляло собой загадку, не находящую полного истолкования. Впервые микроскопическая теория сверхпроводимости была построена в работах Бардина, Купера, Шриффера и Боголюбова только в конце 50-х годов прошлого столетия. Согласно этой теории в электронном энергетическом спектре сверхпроводника вблизи уровня Ферми возникает щель. Эта щель приводит к образованию электронных пар с противоположно направленными спинами и импульсами, причем сама щель, возникающая при , является функцией температуры и достигает своего максимального значения при 0 К. Микроскопическая теория сверхпроводимости обусловила экспериментальные исследования как для проверки выводов, вытекающих из теории, так и для измерений конкретных параметров реальных сверхпроводников, в частности энергетической щели. Для ее измерения применялись методы теплоемкости, теплопроводности, критического магнитного поля, метод смещения под влиянием примесей, туннельный эффект и др. Сведения о величине щели могут быть получены при ультразвуковых измерениях температурной зависимости поглощения ультразвука сверхпроводником. Первые акустические эксперименты по измерению величины щели в сверхпроводящем олове в ИРЭ НАН Украины были поставлены под руководством А. А. Галкина. Было установлено, что в реальном сверхпроводнике величина щели зависит от ориентации кристалла, т. е. щель по своей природе является анизотропной величиной. Анизотропия щели в олове достигает 50 %. Таким образом, впервые было установлено, что в реальных сверхпроводниках существует анизотропия энергетической щели.

К настоящему времени магнитоакустический резонанс и АЦР обнаружены во многих металлах (олово, серебро, медь, золото, индий, кадмий, цинк, свинец, таллий, магний и др.). С их помощью были измерены параметры ферми-поверхностей, эффективные массы, длины свободного пробега, деформационный потенциал и анизотропия этих характеристик. Тем самым был введен в экспериментальную практику метод резонансной ультразвуковой спектроскопии для изучения энергетического спектра и кинетических параметров электронов проводимости в металлах.

Среди магнитоакустических исследований металлов можно выделить следующие:

1) изучение особенности расположения акустических волн в условиях сильной пространственной неоднородности, когда характерный размер траектории электрона в магнитном поле намного больше длины волны звука;

2) исследование поглощения и дисперсии звуковых колебаний в локальном пределе, когда размер циклотронной траектории меньше длины волны звука;

3) акустические явления в квантующих магнитных полях;

4) взаимное преобразование звуковых и электромагнитных волн нормальными металлами в магнитном поле.

5.3.2 Особенности распространения гиперзвуковых волн в твердом теле

При использовании гиперзвуковых волн возникает вопрос об их поглощении, или гиперзвуковой прозрачности исследуемого твердого тела. Дело в том, что даже в совершенных диэлектрических кристаллах при относительно высоких температурах (порядка температуры Дебая ) гиперзвуковая волна испытывает сильное поглощение. Так, в кристалле кварца поглощение гиперзвука при комнатной температуре на частоте 10 ГГц составляет 60-70 см-1 и возрастает пропорционально квадрату частоты.

Согласно современным представлениям поглощение гиперзвука объясняется неупругим рассеянием на тепловых фононах вследствие энгармонизма кристаллической решетки. При этом характер рассеяния и поглощение существенно зависят от произведения , где – угловая частота гиперзвука, – время релаксации взаимодействующих с ним тепловых фононов. Когда , , поглощение состоит в том, что деформация кристаллической решетки под действием гиперзвуковой волны изменяет равновесное распределение фононного газа, что приводит к необратимому переносу энергии от гиперзвуковой волны к тепловым фононам. Данный вид поглощения на частотах выше 10 ГГц является доминирующим, а величина его настолько велика, что использование гиперзвука на таких частотах при относительно высоких температурах (порядка ) становится весьма затруднительным. Поэтому высокочастотный гиперзвук преимущественно применяется в области низких гелиевых температур.

Малое поглощение гиперзвука в диэлектриках при температуре жидкого гелия создает реальную возможность для использования гиперзвука предельно высоких частот в физических исследованиях и приложениях. Для более низких частот (порядка 10 ГГц) исключительно малое затухание гиперзвука в диэлектрических кристаллах кварца, сапфира и ниобата лития, которое было обнаружено при исследовании эффекта обращения, позволило использовать этот эффект в практических целях. Так, на основе эффекта обращения были созданы криогенные гиперзвуковые линии задержки сигналов СВЧ в сантиметровом радиодиапазоне с рекордно длительным запоминанием электромагнитного сигнала [10].

Гиперзвуковая волна, распространяясь в кристалле с парамагнитными центрами, испытывает резонансное поглощение. Этот эффект имеет сходство с электронным парамагнитным резонансом (ЭПР) и его принято называть акустическим парамагнитным резонансом (АПР). Как и при ЭПР, резонансное поглощение гиперзвука происходит в условиях, когда частота упругих колебаний в волне совпадает с частотой перехода между уровнями, принадлежащими парамагнитному центру. Однако АПР существенно отличается от ЭПР тем, что за резонансное поглощение гиперзвука ответственно не магнитодипольное, как в случае ЭПР, а электрон-фононное взаимодействие. Правила отбора разрешенных переходов, определяемые этим взаимодействием, позволяют наблюдать АПР в тех случаях, когда магнитодипольные переходы, с которыми связан ЭПР, запрещены. Поэтому АПР является более информативным по сравнению с ЭПР методом и позволяет получать прямые и точные сведения о структуре энергетического спектра примесного парамагнитного центра и его взаимодействии с упругими колебаниями кристаллической решетки.