Нелинейное электромагнитное возбуждение ультразвука в цинке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

мосновскнп Государственный Университет им - М- Б- Лоионосова

Фиэическия Факультет

на правая рукописи

/шугликов Евгения Григорьевич

УМ 539- 292

НЕЛИНЕЙНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ЦИНКЕ

иь04-09 -Физика низких ггнператур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

йосква Iччг г.

Работа выполнена на каФедре физики низких температур и сверхпроводимости Физического факультета ИГУ

им. Н- в. Ломоносова

Научшха руководитель: доктор сизико - математических иаув. доцент Васильев А. Н.

Официальные оппоненты: доктор Физико - математических наук Преобрааенскиа в. л. кандидат физико - математических наук Моваев В- Г-

Ведущая организация •• Институт Химической Физики. г-Носква.

Зашита состоится " 2 - 1992 в 15_30 иа

заседании Специализированного Совета N2 (К 053-05. 20) Отделения Физики твердого тела Фкз- Ф-та НГУ по адресу: 119899. ГСП. Москва. Ленинские . Горы, ИГУ. Физический Факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05-

С диссертацией мозшо ознакомится в библиотеке Физического Факультета ИГУ-

Автореферат разослан "

1992 года-

Учения секретарь Специализированного Совета N2 ОФТТ (К 053-05-20) НГУ инИ-В- Ломоносова кандидат Физико - натеиатических наук

Г. С- Плотников.

1. осиал характеристика работы.

&ШЛШ10й1.Ь ПЖ11:

При изучении электронных свойств металлов ваэшую роль играет исследование электрои-Фонскного взаимодействия. Поэтому оправданной представляется разработка новых подходов к изучению параметров этого вэаинодействия.

Электромагнитное воэОуяаенке ультразвука представляет собой один из способов, который нозег быть использован с этой целью- электромагнитно-гкустическое преобразование 1ЭНАП) - это процесс, в котором часть энергии палашей на металл электромагнитной волки преобразуется в энергию ультразвуковых колебания срсян. В отсутствии внешнего постоянного магнитного поля линейное знлп осусествляется в условиях аномального сккн-эФФекта и обусловлено электрон-Фояоияын взаимодействием- Электрон-Фононное взаимодействие ноает быть описано в терминах тензора деФорнаиионного потенциала л1К, которая определяет изменение энергии электронов при деформации решетки- в линейных процессах генерируется поперечный ультразвук я задействованы не диагональные компоненты л1К- Из опубликованных работ различных авторов следует, что величин» электрои-Фононкого взаинодействия. оцененная в экспериментах по линейному ЗНАЛ, з несколько раз превосходит значение. полученное теоретически в модели свободных электронов.

Диагональные компоненты тензора л1К могут изучаться при нелинейном ЭМАП. го есть в процессах, когда паяашая на металл электромагнитная волна частом « генерирует продольную ультразвуковую волну частоты . 2«. Механизм ЭНАП, проявляющийся при аномальном скин-эМекте и обусловленный

электрон-Фояоинын взаимодействием. получил название яеФорнзшюнного- Однако при нелинейном ЗНАЛ осуществляются и другие механизмы трансФориаши. приводяше к возникновению продольного акустического • поля: гашукниошшя - следствие лорениевого воздействия магнитного поля волны на наведенный ею скиковыа ток; терноулругип - результат появления осциллирушея добавки к температуре образна при лвоулевом нагреве скиновын током- Индукционный и терноупругия механизмы генерации проявляются как при аномальной, так я при нормальной снин-эФФентах-

Нелинейное электромагнитное возбуждение ультразвука с условиях аномального скин-эФФевта наблюдалось ранее при гелиевых температурах. однако измерений в широком температурной интервале, позволившей бы налезло идентифицировать различие механизмы генерации не проводилось.

Целью работы явилось исследование нелинейного ЭИАП в широком температурной интервале и определение вклада какдого механизма трансформации- Осо:>у» важность представляло наблюдение нелинейного деформационного механизма Эйап и оценка величины электрон-Фононного взаимодействия, асвиада

Настоящая диссертационная работа является первым экспериментальным исследованием нелинейного ЭНМ1 в широком температурном интервале, охватывающей области существования нормального и аномального скик-зСФекта-

Установлена роль термоупругого механизма при нелинейном 5МАП и получены выражения, описывающие амплитуду термоупругой генерации в ренинах нормального к аномального ския-эФФектов-

сравнение теории и эксперимента позволило оценить величииу электрон-Фононного взаимодействия в пинке.

Практическая приность работы заключается в создании экспериментального метода определении диагональных компонент тензора деформационного потенциала. .

АшюйаииЯ:

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались

на:

на XXV! Всесоюзной Совещании по Физике низких температур. Донецк, 1930 г-

на XV Всесоюзной Конференции по акустоэлектронкке и е>изическоя акустике твердого тела. Ленинград, 5991 г-

на XV КонФерешши по Физике твердого тела. Фаюм, Египет. 1992г.

ПИШшцшИ; Основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах, список которых приведен в конце автореферата-

Обьен а структура- Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы- ооишя объем диссертации 85 страниц, включая 17 тасункоз и список литературы из 42 наименования-

2- Содераание работы-

Во введении отражено современное состояние проблемы электромагнитного возбуждения ультразвука, обоснована актуальность настоящей работы, указана ее аель, кратко изложено содержание диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на закиту.

Б первой гдаае проведен обзор работ, посвященных

инлукниошюму и дефориапноннону возбувдешпо ультразвука.

а) Индукционная генерапия имеет место вследствие появления в уравнении упругости силы Лоренца в качестве возбувлашвй силы- Для амплитуды ультразвука (при выполнении гчловиа к>><5| где ь - длина ультразвуковой волны. 6 - толщина скин-слоя) справедлива слелушая Формула |и {]>

1 ей '

где <■ - отношение энергии магнитного поля волны к упругому модулю металла-

О При падении электромагнитной волны частоты и электронная и иокнад подсистемы под действием электрического поля волны получают равные по величине и противоположно направленные дополнительные импульсы- В условиях 1<<г (i - длина свободного пробега) при столкновениях электронов о решеткой происходит локальная компенсация избыточного импульса, сила, деяствушая со стороны электромагнитной волны на зяектроиейтиалыгую систему, равна нулю-

При аномальном скин-эФФекте (1>>г> электроны получают дополнительный импульс в скин-^лое. а передают его решетке в полусфере радиуса 1. Поэтому не происходит локальной компенсашп! силы, действующей со стороны электромагнитной волны на ионную подсистему металла, - иозмокна акустическая генеоавия-

Кроне того, при аномальной скин-эФФекте создаются условия для нарушения падающей электромагнитной волной локального равновесия электронной и ионной подсистем металла. Восстановление равновесия сводится к перестройке решетки под действие» сил со стороны электронное подсистемы-•Величина этих сил определяется электрон-еоношшн Боаююдеястсаеи. описакшя процесс происходит в динамическом

режиме, что, в свою очередь, мохет приводить к генерации ультразвука.

Оба источника генерации ультразвука пси аномальном

скин-зФФекте выражаются в тернинах тензора л1К и составляют

существо деформационного механизма ЭКАП. Тензор л1К имеет

размерность энергии и для изотропного закона дисперсии электронов может бить представлен в виде

г v v '5

Л = - rnv 2 -Л-Ji . I, ,2,

Ж F 1 Vf.2 з J

где m - деформационная масса, определяющая масштаб деформационного взаимодействия, vp - Фермкевская скорость электронов, - ее компонента. 5|К-скнвол Кронекера.

Деформационный механизм ОКАЛ приводит к генерации ультразвука на частоте а тзкяе на всех кратных частотах. Это определяется нелинейность» "отклика" электронной подсистемы металла яа внешнее воздействие.

Васильевым, Гулянским, Кагановим <1966 г), а такзе Макаровым, Перес-Родригесом, Ямпольекии (1983 г.) построена теория деформационного ЭМАП на частоте 2«. Яля анплитуды ультразвука в последней работе получено выражение

u m

iu Л£Ф|---(1/к)2.in(v/<2fi)) , (3)

41* m

где m - масса электрона.

Во aiüEfla описана экспериментальная методика для

нелинейного ОНАП и автоматизированная измерительная установка.

. Квазистапионарное электромагнитное поле частоты f создавалось плоской спиральной катушкой индуктивности, располагавшейся у одной из граней плоскопараллельной пластины нонокристаллического цинка- К противоположной грани

приклеивался пьезопреобразователь, настроенный на частоту И- в эксперименте записывался спектр акустического резонатора, состоящего из образна гп и пьезопреобразоватеяя. Спектр представлял собой набор пиков, возникающих при установлении на толшше образна целого числа полуволн-Амплитуда каждого пш.а была пропорциональна амплитуде генерации и обратно пропорциональна затуханию- Спектры регистрировались в температурном интервале Т-4- 2-40 К-Независимый эксперимент ставился и для определения температурного хода затухания- На рис- 1 для частот задашего сигнала 1-3, 5, 9- 5 МШ приведены результаты эксперимента -амплитуда квадратичной генерации, скорректированные с учетом температурного хода затухания, в высокотемпературной области (на рисунке не приведена) амплитуда генерации не зависела от температуры-

Для определения длины свободного пробега электронов в образце измерялось электросопротивление р. Величина ЕКК:рЗОО/'р4- 2'-1о4- Пои гелиевых температурах 1 » 3-Ю"2 сиВ трятьяй славе провеяенс теоретическое рассмотрение термоупругого механизма генерации по следующей схеме. Решение уравнения теплопроводности дает величину осциллирующей части тенпературы- Величина ультразвуковой амплитуды мокет быть получена при решении уравнения упругости с терноупругой возбуждающей силой- Рассмотрение проводилось в предположении

«т<41, (4)

где т-вреня релаксации электронов-

В ренине нормального скин-ЗФФекта в правой части уравнения теплопроводности записывается дхоулево тепло-Граничное условие - непрерывность температуры и отсутствие

потока тепла на грашше. Акустическая анплитуда получена в виде

к; кг

|а ТЕР| -- 1 —— . (5)

кт*-зк

где к - параметр Грюнайзена. к -электродинамическое волновое чкслО| к-у - волновое число тепловой волны,

КТ2 > -, (6)

а

где с - теплоемкость. з - теплопроводность металла- При достаточно высоких температурах отношение амплитуд

терноулругого и индукционного механизмов определяется параметром Грюнайзена

При аномальном скин-эффекте гакке воэноето накроскопическое решение задачи с помошью уравнения теплопроводности- В диссертации показано, что из условия !4) следуе? 1 << 1 • Поэтону уравнение теплопроводности

решается с нулевой правой частью, а яиссипируеное тепло учитывается в граничном условии.

Анализ выражения для ' амплитуды генерации при аномальном скин-эФФеите позволяет показать, что при достаточно низких температурах, ■ определяемых условием |и.^*}<<!, эффективность тесиоупругого механизма пренебрежимо мала по сравнению с другими механизмами ЗНАЛ.

В 3£2В££юа саам проводится сопоставление

экспериментальных данных с выражениями <и» (ЗК (5) • Результат расчета приведен на рис-2- Постоянная величина ультразвуковой амплитуды при высоких температурах результат совместного действия независящих от температуры пядукшпшого и терноулругого механизмов- Принимая амплитуду индукционной генерации за едшшву. можно считать, что при высоких температурах амплитуда генерации равна = 5

(индукционный и терноупругня источники генерации синфазныь Наблюдаемый в эксперименте минимум на температурной зависимости амплитуды связан с теоретически предсказанным ходом терноупругого и деформационного механизмов. Анализ выражений (3) и (5) позволяет ооьяснить смешение нкнинуна с изменением частоты.

Опенка по результатам эксперимента деформационной массы дает величину, на порядок превосходяиую массу свободного электрона, что указывает на большую величину паранетра электрон-Фононного взаимодействия по сравнению с рассчитанным по модели свободных электронов.•

Б аашнша сформулированы результаты диссертации.

3- Основные результаты диссертации.

1. Создан экспериментальный истод изучения электрон-Фононного взаимодействия- Разработана нетрадиционная акустическая методика для исследования нелинейного ЭИАЛ-Построена универсальная автоматизированная установка для акустических измерений-

2- Впервые проведено экспериментальное исследование нелинейного ЭМАП в широком температурном диапазоне, включающем область аномального скин-эФФекта- Осуществлена идентификация различных механизмов трансформации- Изучены зависимости эффективности деформационного механизма - от тенператури, частоты и амплитуды электромагнитной волны-Экспериментально доказано, что нелокальный кеханизн ЭНАП начинает проявлятся при )/> ~ i и растет с увеличением этого параметра- Обнаружено немонотонное повеление амплитуды генерации при понижении температуры- Наблюдалось смешение положения экстремума при изменении частоты- Получена

квадратичная полевая зависимость акустического сигнала-

3- Теоретически рассмотрено тепловое возбуядение ультразвука в металле в рекимах нормального и аномального скин-эффектов. Проанализирован температурный ход этого механизма генерации- Показано, что при достаточно высоких температурах терноупвугиа механизм является преобладающим, его эффективность не зависит от температуры, отношение амплитуд генерации за счет термоупюугого и индукционного механизмов равно параметру грюнавэена- Доказано, что в региме аномального сния-эФФекта эффективность термоупругих сил пренебрегино нала по сравнению с другими механизмами 3JLM1-

4- Проведено сопоставление экспериментальных данных и теоретических результатов- Объяснено наличие минимума на температурной зависимости амплитуды генерации и смешение его половейкя с частотой- По итогам эксперимента вычислена константа алектРон-Фононного взаимодействия, величина которой сопоставлена с Результатами других экспериментов и согласуется с ними. Сделан вывод о тон. что деформационная масса, определяющая масштаб элентрои-фононного взаимодействия, на порядок превосходит массу свободного электрона.

По тене диссертации опубликовали следующие работы-. 1- Васильев А-Н-. гаядунов Ю-П-. Каганов Н-И-. Крутиков Е- Г- Нелинейная электромагнитная генерация продольного ультразвука в пинке. \5ЭТФ. 1992. 1Ш< выл- 2. С- 671-6612- Васильев А- Н.. Гайдуков О- п.. Голов Е- О- , каганов И- К-. Круглиноэ Е- Г. Термоупругал генерация продольного

■id

ультразвука в металлах. УГезисы докладов XV Всесоюзной Конференции По акустоэлектронике и Физической акустике твердого тела. Ленинград. 4-е июня 1991 г- ч-1. с. 88-89. 3- Васильев А■ Н-. Кругликов Е- Г- Нелинейное

электромагнитное возбузшенке ультразвука в алюминии-ЧТезисы докладов XXVI Всесоюзного совеаания по Физике низких температур- Яонеик. 19-21 июня 1990 г-, ч-3. с. 53-544. Васильев А-Н. , гайдуков 0- Л-. Кругликов Е-Г-. Романеико й- В. Автоматизированный комплекс для исследования электромагнитного возбуждения звука. ЧПрепринт йГУ. Физ- Ф-т, ! 988 г.. Н 9, 5 с-5- N- P. Danllova, KrugllKov E-G. . Georgluss R- S- Nonlinear e lectroniasnetlc-acoustic transfornutlon on ¡tetal surface- \Abstracts of the XV-th EeiPtlan Conference oh Solid State Science- Faroum. 16-22 Jan. 1992. VtU-6.

p- 66-

Подписи к рисункам-Рис-1 Амплитуда нелинейной генерации, скорректированная с учетом затухания- высокотемпературная часть кривых нормирована на 5- Кривая 1 соответствует частоте электромагнитного сигнала f=9-5 МГц и вч полю Н-35 э, кривая 2 - f = 5 КГц, Н-35 Э, кривая 3 - f-З МГц, Н--10 Э-

Рис. 2 Расчетные значения амплитуды нелинейной генерации и« для; 1 - индукционного, 2 - деформационного и

3 - теркоупругого механизмов ЭМАП- Частота электромагнитного поля f-9-5 МГц. Расчет проводился для условия эксперимента.

U, ornn.eö.

РИС. 1

U <=0, ОТН. ЕД.

7

10 20 30 40 50 Т- К

Рис 2