Релеївські хвилі
У 1885 році англійський фізик Релей проводив дослідження акустичних поверхневих хвиль, які поширюються поверхнею земної кулі, не йдучи в його глибини. Релеївські хвилі, як їх потім назвали, відіграли величезну роль у народженні нової науки – акустоелектроніки. Але спершу вчені про них просто... забули. Навіть у другій половині 20 ст. взагалі було не ясно, чи варто займатися ними знову.
Релеєвські хвилі особливі, несхожі на інші відомі типи хвиль. Вся справа в тому, що в твердому тілі атоми утворюють кристалічні ґратки, і зміщення одного атома передається всім сусідам. Механічний вплив на атоми в твердому тілі породжує звукові хвилі. Коли поширюється поздовжня хвиля, кристал відчуває поперемінний стиск та розтяг у напрямку рух хвилі. Деформація котиться по всій довжині кристала. Інший тип – поперечна, чи зсувна хвиля викликає коливання атомів решітки у бік, перпендикулярному поширенню хвилі. Поздовжні та поперечні хвилі мають одну загальну властивість: вони поширюються у всій товщі кристала, тобто – об'ємні.
У кристалах в тонкому поверхневому шарі завтовшки кілька десятків мікрон можуть виникати релеевские хвилі. Але частинки речовини, при цьому, коливаються одночасно як у поздовжньому, так і поперечному напрямку. Поряд із стиском і розтягуванням шари речовини зсуваються паралельно один одному. Цікаво й те, що релеївські хвилі легко збуджувати та приймати у будь-якій точці поверхні кристала.
А чи не можна перетворити електричні сигнали на звукові релеївські хвилі, які в процесі руху по кристалу можна буде змінювати, а потім знову перетворювати на електричні сигнали? У цьому випадку кристал може служити як перетворювач електричних сигналів, подібно до напівпровідників.
У цій справі релеєєвські хвилі підтримали, відкриті ще в 1880 році, п'єзоелектричні кристали. Механічні деформації у п'єзокристалі викликають у ньому появу внутрішніх електричних полів. І навпаки, електричні поля, прикладені до таких кристалів, породжують у яких механічні напруження тієї самої частоти.
Для цього на поверхню кристала у вакуумі напилили два срібні електроди, подавши на які змінний електричний сигнал, збудили в кристалі акустичні хвилі. Коли деформація досягла іншого кінця кристала, на ньому з'явився змінний електричний заряд, який прийняли за допомогою іншої пари подібних електродів. Але сигнал на них був значно меншим за вхідний. Спробували використати відразу кілька пар збуджуючих електродів, розташувавши їх один за одним, на одному з кінців кристала. Якщо відстань між парами електродів зробити такою, щоб релеївські хвилі проходили його за час, який точно дорівнює періоду коливань, то релеївські хвилі, наздоганяючи одна одну, взаємно посилюватимуться і на виході виникне досить потужний електричний сигнал, який виявився на кілька десятків відсотків меншим за вхідний. Як зробити так, щоб релеївські хвилі посилювалися, подорожуючи всередині кристала?
Електромагнітну хвилю можна представити у вигляді квантів електромагнітної енергії - фотонів а звукову хвилю як потік квантів звукової енергії – фононів. Як частинки, фонони можуть стикатися один з одним, а також з іншими частинками, наприклад, з електронами. Створивши на кінцях провідника різницю потенціалів, у ньому виникне впорядкований рух електронів. Пустимо тепер у тому напрямку звукову хвилю. Якщо швидкість електронів буде меншою за швидкість хвилі, то фонони, стикаючись з електронами, будуть віддавати їм частину своєї енергії. Електрони почнуть прискорюватись, а хвиля – слабшати. І навпаки. Якщо електрони рухаються швидше за хвилю, вони наздоганяють фонони і віддають їм свою енергію. Відбудеться посилення звукової хвилі.
У 1964 році фізики Ю. Гуляєв та В Пустовойт таким чином посилили в сотні мільйонів разів релеївські хвилі, напиливши напівпровідник на поверхню п'єзоелектрика. Вийшло так: електрони течуть собі у напівпровіднику, а звукові релеївські хвилі – у п'єзоелектрику. На межі дотику двох матеріалів відбувається гонка електронів та фононів. На цьому кордоні підганяють електрони звукові релеївські хвилі, посилюючи їх.
