Знак вопроса 2002 № 02

Возникает вопрос, как же рассортировать электроны по энергиям. Авторы открытия установили. что «сортировку» электронов можно производить при помощи ультразвука, поскольку ультразвуковое излучение высокой частоты (свыше 10 мГц), проходя через проводящую среду (например, через магнитное поле), увлекает за собой электроны в одних энергетических состояниях гораздо сильнее, чем в других. Стало быть, варьируя частотой ультразвука, можно выделять нужную группу электронов и анализировать ее свойства. По сути дела, открыт совершенно новый класс явлений, где движущей и разделяющей силой для электронов является ультразвук, а не электрическое поле или перепад температур, считавшиеся «двигателем» электронов. Так, например, при наложении магнитного поля в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука, в кристалле возникает электродвижущая сила, значение и направление которой дают информацию об электронах в кристалле, а следовательно, и о свойствах кристалла. Авторы назвали этот эффект акустомагнитоэлектрическим.

При проведении экспериментов было получено множество других (побочных) эффектов, предоставляющих возможность для практического применения результатов открытия. В нашей стране и за рубежом акустомагнитоэлектрический эффект уже используется на практике для анализа свойств кристаллов. Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия электронов с упругими волнами помогает раскрыть новые, ранее неизвестные свойства веществ. Так, при исследовании сульфида кадмия было обнаружено необычное явление — волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его можно представить как волнообразное изменение температуры, распространяющееся вдоль кристалла в направлении движения ультразвуковых волн. Если осветить кристалл сульфида кадмия и одновременно пропустить через него ультразвуковые колебания, то возникающее электрическое поле создает электродвижущую силу вдоль направления распространения волны. Во время эксперимента получен ток напряжением 100 В.

Отсюда появилось еще одно направление. Когда ультразвук проходит через границу двух веществ, одни электроны сменяются другими, например, более энергичные — менее энергичными. При этом на границе выделяется тепло, а сама граница охлаждается. На подобном явлении основан принцип работы холодильных установок. Но в отличие от него охлаждение в данном случае может продолжаться до очень низких температур, близких к абсолютному нулю. Не исключено, что взаимодействие ультразвука с электронами в будущем станет распространенным рабочим эффектом для получения сверхнизких температур и послужит основой для разработки оригинальных методов исследования проводящих средств и создания новых электронных приборов и устройств.

Одним из центров акустоэлектроники стал Институт физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук. Его ученым удалось обнаружить новые, не известные ранее эффекты. Например, возникновение сопутствующих поверхностных колебаний, эффект прохождения упругой волны через вакуумный зазор между двумя пьезоэлектриками и ряд других интересных явлений. Стало возможным создание разнообразных приборов обработки информации линии задержки, полосовые фильтры со сложной и даже электрически перестраиваемой характеристикой, фильтры для фазоманипулированных сигналов, стабилизаторы частоты и многие другие устройства. Все они отличаются очень малыми габаритными размерами и простотой технологии. Исследования института послужили базой для практического использования акустоэлектроники в промышленности и народном хозяйстве страны.

Ультразвук — хранитель времени. Появились часы третьего тысячелетия. Этому способствовало тоже содружество радиоэлектроники и ультразвука. Горный хрусталь когда-то служил часовым стеклышком, прикрывавшим дорогие золотые стрелки, а теперь он выполняет роль маятника — сердца часового механизма. Его можно сравнить с камертоном или задающим генератором, поддерживающим определенную частоту, в данном случае почти два миллиона импульсов в минуту. Чтобы точно отмерить минуту, нужно их безошибочно пересчитать. А как? Сейчас уже созданы быстродействующие электронные счетчики, умещающиеся в крошечном кремниевом кристаллике. Это и есть основа часов — интегральная схема, состоящая из тысячи транзисторов, соединенных в сложные структуры так, что по числу микродеталей они сопоставимы, например, с шестью телевизорами. Эти транзисторы преобразуют ультразвуковые колебания кварцевой пластинки в электрические импульсы, отсчитывающие с ювелирной точностью минуты. Практически точность хода таких часов равна одной минуте в год.

Сенсацией века называется открытие Г. А. Аскарьяном эффекта самофокусировки луча. Световой луч, проходя по воздуху, воде или любому веществу, расширяется и образует расплывчатое пятно, которое тем больше, чем большее расстояние пробежал луч. Проведя многочисленные теоретические исследования и эксперименты, Аскарьян пришел к неожиданному выводу: если луч обладает достаточной энергией, то он перестает расширяться, словно обуздывая самого себя.

Этим явлением заинтересовались отечественные и зарубежные ученые. Физики-теоретики этот замечательный эффект упрощенно объясняют следующим образом. Как известно, световой луч представляет собой электромагнитное поле, которое ориентирует определенным образом атомы (как, например, магнитное поле ориентирует металлические опилки). Луч, воздействуя на атомы среды, расставляет на своем пути бесчисленное множество микроскопических линз. Так луч сам создает волновод, вдоль которого и распространяется. Продолжив исследования, Аскарьян доказал, что самофокусироваться может не только свет, радиоволны, но также ультра- и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными источниками в плотных средах. Ультразвуковой (гиперзвуковой) луч нагревает среду, частицы ее начинают колебаться ориентированно, упорядоченно. В результате образуется канал с особыми свойствами и вдоль него устремляется звук.

Даже самому смелому воображению не под силу предугадать, какие новые возможности открывают перед нами самофокусирующиеся лучи. Представьте себе ионосферу, которую пронизывают «невидимые лучи», несущие изображение и звук через воздушные и океанские просторы. Невидимые и неслышимые световые и звуковые «игольчатые» лучи как бы высвечивают океанское дно, скрывающее несметные сокровища. Сверхмощные тепловые и ультразвуковые лучи, «обрушившись» на арктический лед, сделают Северный морской путь судоходным в течение всего года.

Ученые нашей страны впервые в мировой практике создали экспериментальную физическую установку, где концентрированная энергия ультразвука может воздействовать на вещество подобно лазерному лучу. Этот «гиперболоид» создает мощный поток энергии с интенсивностью 150 кВт на квадратный сантиметр поверхности, что равно световому давлению узкого луча лазера, работающего в непрерывном режиме. Пластинка плексигласа, помещенная в такое ультразвуковое поле, мгновенно распыляется. С помощью этой установки можно отрабатывать приемы применения ультразвука в промышленных целях, создавать новые образцы ультразвуковых станков, приборов, устройств.

Чтобы исследовать вещество под электронным микроскопом, прежде всего, необходимо сделать тонкий срез или раздробить и измельчить его. До сих пор это делали в обычной ступке. Теперь не нужно растирать в ней исследуемое вещество. Достаточно поместить в специальную ванночку, нажать на кнопку, и ультразвук не только мгновенно раздробит вещество до мельчайших частиц, но и нанесет их на пленку, которую затем просвечивают электронным лучом микроскопа. Ультразвуковой прибор позволяет расширить сферу применения электронного микроскопа в химии полимеров, биологии, резиновой, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности.

Возможности ультразвука в исследовательских процессах на этом не ограничиваются. Инженеры в содружестве с биологами и медиками впервые в мировой практике решили «заглянуть» в живую клетку без вскрытия ее оболочки. Аппаратуру для этого создали сотрудники экспериментального предприятия Института основных технических проблем Польской Академии наук. В аппаратуре функции своеобразного скальпеля выполняет ультразвук. При проведении экспериментов соблюдается абсолютная стерильность, строго выдерживаются режимы давления и температуры. Эта сложная проблема решается в тесном содружестве с нашими специалистами.

Использование ультразвука в научных исследованиях продолжает расширяться и по другим направлениям. Так, например, в Северном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации предложили использовать ультразвук для измерения скорости течения воды и определения ее расхода в камерах турбин. Этот принцип исследования, как уже говорилось, нашел широкое применение также в химической и металлургической промышленности.

А если, наоборот, нужно не измерять скорость течения жидкости, а ускорять? Ультразвук и здесь пришел на помощь. Вода, бензин и особенно нефть замедляют свое течение из-за трения о стенки трубопроводов. Это, в свою очередь, значительно снижает КПД насосов. Чтобы ускорить протекание жидкости, нужно либо повысить мощность насосов, либо увеличить диаметр трубопроводов, а может быть, и то и другое одновременно. Но это экономически невыгодно. Уменьшить влияние трения на скорость позволяет своеобразная «растряска» жидкости с помощью ультразвука. Этот метод и лег в основу конструкции необычного насоса, который с помощью ультразвука перекачивает воду и бензин в двадцать раз быстрее.