СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ФОНОНОВ В РЕШЕТЧАТЫХ СТРУКТУРАХ Российский патент 1998 года по МПК H01S4/00 H01L39/00 B01J19/08 

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано в акустических системах, а также в целях создания высокотемпературной сверхпроводимости.

Существуют два принципиально разных способа получения высокоэнергетических фононов с энергией E = ℏ︀ω_м, (где ℏ︀ - постоянная Планка: ω_м- максимальная частота фононов):
а) способ, связанный с повышением энтропии (разогревом) решетчатой структуры с помощью тепла, быстрых частиц, сильных постоянных и переменных полей;
б) способ, связанный с подбором качественного и количественного состава химических элементов, входящих в данную решетчатую структуру (сплавы, порошки, спекаемые под действием высокой температуры, и т.д.), позволяющий образовать требуемую форму характеристики F_v = F(r_V) в трехмерном пространстве (где F_v - сила, противодействующая отклоняющему воздействию на отдельный атом решетчатой структуры; r_v - величина смешения атома от нейтрального состояния) и не ведущий к росту энтропии решетчатой структуры.

Способ, связанный с разогревом решетчатой структуры и увеличением ее энтропии, не применим, так как принципиально исключает возможность возникновения упорядоченных структур (движений) в решетчатой структуре под действием возбуждающего воздействия в виде перемешенных полей и (или) частиц (в частности электронов проводимости, существующих в проводниках).

Способ, связанный с подбором качественного и количественного состава химических элементов, наиболее близок по сути предлагаемому изобретению, так как не ведет к росту энтропии решетчатой структуры, но создает условия для появления высокоэнергетических фононов при возбуждении решетчатой структуры переменными полями и(или) частицами.

Однако этот способ обладает рядом существенных недостатков: а) не позволяет достичь высоких энергий фононов в сравнении с предлагаемым способом; б) требует для своей реализации высокие технологии; в) требует строго определенный качественный и количественный подбор химических элементов в сплавах при отсутствии соответствующего математического аппарата, а значит, теоретического предсказания; г) необходим большой объем экспериментальных работ; д) большая трудоемкость и стоимость исследовательских работ с малой вероятностью достижения необходимого результата.

Все эти недостатки объясняются тем, что традиционные (классические) связи между атомами решетчатых структур имеют вполне определенную форму зависимости F_v = Fr_v), которая может изменяться в сплавах в некоторых органических пределах, и лишь в специальных более или менее оптимальных сплавах (высокотемпературные сверхпроводники) в локализованных областях (чаще очень тонких слоях) удается получить условия, обеспечивающие более высокие значения энергии фононов E = ℏ︀ω, , при возбуждении решетчатой структуры переменными полями и(или) частицами.

Выше были перечислены аналоги предлагаемого изобретения.

В качестве прототипа наиболее подходит способ получения высокочастотных фононов, представленный в описании к патенту США [1], в котором говорится, что под действием переменных напряжений может возникнуть эмиссия фононов.

Действительно, под действием переменных напряжений может возникнуть эмиссия высокочастотных фононов, но их природа носит тепловой характер, так как деформация решетчатой структуры и образование r_сп происходит только при наличии постоянного деформирующего воздействия. Это объясняется тем, что для образования сколько-нибудь заметной деформации необходимо длительное воздействие на структуру τ_в, так как масса решетчатой структуры достаточно велика τ_в=τ_в(m), а энергия, содержащаяся в половине периода переменного воздействия, мала и подавляющая часть ее идет на ток смещения в диэлектриках или ток проводимости в проводниках, что в итоге ведет к разогреву структуры. Вторая причина, препятствующая образованию высокоэнергетических фононов состоит в том, что при переходе переменного воздействия через нулевое значение все высокоэнергетические фононы, образованные за счет деформации, если бы даже они возникали, мгновенно исчезли бы, а энергия их мгновенно преобразовалась бы в энергию тепловых фононов с более низкими частотами.

Возможно другое толкование наблюдаемого в прототипе эффекта, не связанного с ростом температуры. Сущность этого эффекта состоит в резонансном взаимодействии переменного воздействия со структурой как на основной частоте, так и на гармониках, из-за эффектов, связанных с нелинейностями в структуре. В этом случае распределение энергии фононового радиационного осциллятора по частоте будет отличаться от чисто теплового воздействия.

При резонансном взаимодействии будет действительно наблюдаться эмиссия высокочастотных фононов, не связанных с тепловыми фононами и тем более с фононами, возникающими при деформации, т.е. вместо спектра, присущего белому (тепловому, фононовому) шуму, будет наблюдаться окрашенный в большей или меньшей степени шум.

Технический результат изобретения заключен в создании условий для получения высокоэнергетических (высокочастотных) фононов без увеличения температуры решетчатой структуры и даже понижением энтропии за счет возникновения упорядоченного движения фононов (бегущие волны) или электронов (куперовские пары в сверхпроводниках) при наложении на решетчатую структуру возбуждающего воздействия в виде внешних переменных полей или внутреннего электронного газа в сверхпроводниках.

Технический результат достигается тем, что в решетчатых структурах, в том числе обладающих стрикцией, вначале создают условия для образования высокоэнергетических фононов путем наложения на решетчатую структуру постоянного внешнего воздействия в виде магнитного поля, электрического поля, искусственной деформации по отдельности или в различных количественных сочетаниях, а затем возбуждают вышеупомянутую решетчатую структуру (либо возбуждается естественным образом при сверхпроводимости) с помощью переменных полей и(или) частиц до появления упорядоченного движения высокоэнергетических фононов, которые образуют бегущие акустические волны как объемного, так и поверхностного типа или сверхпроводящее состояние ( при ℏ︀ω_м>=kT) в проводниках, при этом образуется зависимость верхнего предела энергии фононов ℏ︀ω_м от величины постоянного внешнего воздействия, которое влияет как на энергию акустических бегущих волн, так и на температуру перехода θ_п проводника в сверхпроводящее состояние kθ_п=ℏ︀ω_м (где k, ℏ︀ - постоянные соответственно Больцмана и Планка: ω_м -максимальная частота фононов).

Постоянное внешнее воздействие магнитного поля, электрического поля, искусственной деформации не приводит к росту температуры решетчатой структуры, но создает условия для образования высокоэнергетических фононов. Возбуждение структуры с помощью переменных полей и(или) частиц ведет к понижению энтропии структуры вследствие образования упорядоченных форм движения в виде бегущих акустических волн или куперовских пар в случае возникновения сверхпроводящего состояния в проводниках при kθ_п<=ℏ︀ω_м.
Постоянное внешнее воздействие изменяет характер графика F_v = F(r_v), делая его более плавным в пределах от r_v = 0 до r_v = r_сп (где r_сп - длина свободного пробега) и более крутым при r_v > r_сп (фиг. 1). В этом случае отдельно взятый атом решетчатой структуры приобретает: а) большую скорость вследствие большей величины r_сп при одной и той же силе отклоняющего воздействия F_В; б) более резкое торможение при r > r_сп, что делает столкновение между атомами в бегущей волне более упругим и способствует более полной передаче энергии, (обретенной атомом на r_сп), соседнему атому, а значит, уменьшению затухания бегущей волны. В этом случае по решетчатой структуре пробегает от атома к атому упругая слабозатухающая бегущая волна и деформация сдвига (сжатия или растяжения), характерная для графика 1 (фиг.1), все в большей степени переходит в бегущую деформацию ("цепочечного" типа), позволяющую передать с небольшими потерями энергию, локализованную в очень малом объеме (одноатомный слой и в пределе отдельный атом) решетчатой структуры, из одной точки в другую, находящуюся на большом расстоянии от места возбуждения (график 2 на фиг.1). Законы распространения бегущей деформации аналогичны законам распространения сейсмических волн в сложных структурах, ограниченных в пространстве.

Если воздействие носит периодических характер (F_в=F_мsinωt), то в случае деформации сдвига для обеспечения постоянства амплитуды периодического перемещения объекта (Δδc) с массой m необходимо увеличивать с ростом частоты ω величину F_m (F = ma). В случае чисто бегущей деформации энергия, приложенная первоначально к тонкому слою объекта с массой m_сл с одной его стороны, полностью передается слою, находящемуся с противоположной стороны объекта (фиг. 2), вызывая гораздо большее его смешение (Δδ∂) в соответствии с пропорцией:
,
при этом величина Δδ∂ практически не зависит от ω вплоть до предельного значения ω_пр=π/τ_п (где τ_п - время свободного пробега атома).

Изменение характера графика в направлении внешнего постоянного воздействия связано с тем, что меняется расстояние между атомами R_o в случае искусственной деформации, а также наличия магнитного поля или электрического поля в структурах, обладающих соответствующей стрикцией. В случае растяжения R_o увеличивается, что ведет к ослаблению связей и увеличению r_сп, а при сжатии к уменьшению r_сп. Воздействие постоянных полей в веществах, обладающих стрикцией, приводит к эффектам, подобным деформирующему воздействию. Особое место занимает случай, когда высокие напряженности постоянных внешних полей (E и H) прикладываются к нестрикционным структурам, так как возможно их влияние на валентные электроны, орбиты которых захватывают соседние атомы (обменные электроны) и образуют связь между атомами. В ряде случаев подобного рода воздействие приводит к изменению длины орбит обменных электронов вследствие отклоняющего действия полей и ослаблению связи, а значит, увеличению r_сп.

Рассмотрим механизм возникновения высокоэнергетиечских фонов, для чего обратимся к фиг. 1, на которой изображен график зависимости для случая, когда характер функции F_v = F(r_v)не зависит от направления силы и обладает симметрией в трехмерном пространстве решетки. При наличии возбуждающего воздействия в виде некоей силы F_B отдельный атом решетчатой структуры перемещается в пространстве на расстояние r₁ (кривая 1) и расстояние r₂ (кривая 2), при которых сила внешнего воздействия сравнивается по величине с силой F, стремящейся вернуть атом в прежнее положение, в результате чего образуются фононы с энергиями E₁, E₂, величины которых равны:

где
r₁ - один из корней уравнения F_B - F₁(r) = 0;
r₂ - один из корней уравнения F_B - F₂(r) =0.

В первом случае образуется фонон с частотой
ω_1м= E₁/ℏ︀ ,
а во втором случае образуется фонон с частотой
ω_2м= E₂/ℏ︀ .

В том случае, если энергия тепловых колебаний будет соответствовать неравенству , то в случае возбуждения (F_B) атома решетки перемещающимся мимо него электроном проводимости образуется фонон, величина которого в первом случае E₁ < kT, что свидетельствует о неизменности его электрического сопротивления, и во втором случае E₂ > kT, что свидетельствует о возникновении куперовских пар, а значит, переходе проводника в сверхпроводящее состояние.

Резюме: если энергия хаоса совпадает по величине с энергией фонона (E = hω_м), , образующего связь между электронами в куперовской паре, то энтропия внутреннего состояния проводника скачком уменьшается до некоторой величины вследствие упорядоченного движения в куперовских парах.

Справедливо соотношение:
.

Данное соотношение лежит в основе спонтанного возникновения упорядоченных структур (движений) синергетического типа и при усложнении их форм через вновь образованные обратные связи к живым самоорганизующимся структурам. Таким образом, когда энергия хаоса сравнивается с энергией связи F_св через электромагнитные, гравитационные или слабого взаимодействия поля между отдельно взятыми объектами (частицы, структуры и т.д.), то энтропия макроструктуры, состоящей из этих объектов, скачком уменьшается, что ведет к образованию более сложных упорядоченных (в ряде случаев самоорганизующихся) макроструктур с внутренними обратными связями.

Этот закон природы носит всеобъемлющий характер и лежит в основе спонтанного (в естественных условиях) образования высших структур. Также этот закон является антиподом закона о постоянном росте энтропии.

Оба эти закона всегда существуют вместе в любых структурах как упорядоченных, так и неупорядоченных, и только количественное преобладание одного из них в разные отрезки времени определяет состояние макроструктуры. В более общем виде закон понижения энтропии можно выразить с помощью соотношения:

Процесс возбуждения может осуществляться двумя известными способами: путем повышения температуры решетчатой структуры; путем искусственного периодического воздействия на величину силы, связывающей атомы между собой (F_св) с помощью падающих электронов, переменных напряжений, рентгеновских лучей, нейтронов и т.д.

Распределение средней энергии фонового радиационного осциллятора по частоте в первом и втором случае будут различны.

В предлагаемом способе вследствие постоянного изменения величины F_св в том или ином направлении (или во всех трех направлениях x, y, z) возрастает величина на высоких частотах, поэтому "завал" наступает позже. Это происходит вследствие уменьшения величины ℏ︀_Φ при деформации, так как ℏ︀_Φ= f(r_сп). В свою очередь уменьшение ℏ︀_Φ ведет к уменьшению энергии кванта фонона, а значит к увеличению граничной частоты, на которой начинается "завал" . Величина определяется из соотношения
,
где
k_Φ, ℏ︀_Φ - фононовые постоянные Больцмана и Планка для деформированных решетчатых структур;
θ - температура решетчатой стуктуры.

Величина k_Φ при наложении внешнего деформирующего воздействия будет увеличиваться, так как растет Энтропия такой структуры при неизменной θ будет выше, чем у недеформированной решетчатой структуры.

Вывод: фундаментальные постоянные k_Φ и ℏ︀_Φ зависят от r_сп структуры. Чем больше r_сп, тем меньше ℏ︀_Φ (мельче квант) и больше k_Φ . Эти же зависимости существуют и в физическом вакууме.

В свою очередь r_сп зависит от характера функции D = D(r), где D - коэффициент упругости структуры.

Для определения математического выражения для r_сп найдем соотношение для силы (F_∂ = F_∂(r), действующей между атомами в деформированной решетчатой структуре, при этом степень деформации определяется величиной.

,
где
F₀(r) - сила, действующая между атомами в недеформированной решетчатой структуре;
- сила деформирующего воздействия;
Δl = l_∂-l_o ,
где
l_∂ и l_o - расстояние между атомами, соответственно в деформированной и недеформированной решетчатых структурах.

Величина r_сп находится из выражения:
,
где
r₁ и r₂ - корни уравнения F_B-F_∂(r) = 0.
Определим ℏ︀:
.

В свою очередь ω = ω(E_B)
Эта зависимость образуется в том случае, если коэффициент упругости структуры D = D(r) является нелинейной величиной.

Таким образом главным следствием деформации является возникновение нелинейности в зависимости D = D(r) и, как следствие этого, возникновение зависимости ω и θ от величины возбуждающего воздействия E_в, в результате чего для математического описания структуры необходимо ввести постоянные Планка и Больцмана:
.

Чем больше нелинейность D = D(r), тем меньше ℏ︀_ϕ и тем больше k. Максимальная скорость волн c_ϕ в деформированной структуре тоже возрастает.

Для определения зависимости ω = ω(E) необходимо решить дифференциальное уравнение типа:

где
m - масса колеблющегося объекта.

Найдем решение этого дифференциального уравнения для случая, когда коэффициент упругости D изменяется линейно в зависимости от степени отклонения r, то есть

В этом случае решение данного дифференциального уравнения имеет вид:
r = AsinW₁t, где W₁= A₁sinωt.
Величина A₁ пропорциональна
В зависимости от порядка нелинейности D решение дифференциального уравнения принимает вид:
,
где
r = RsinW_nt,
W_n = A_nsinW_n-1t
W_n-1 = A_n-1sinW_n-2t
Это решение нелинейного дифференциального уравнения второго порядка является достаточно строгим.

Величина A прямо пропорциональна силе деформирующего воздействия F_∂ а величина ω прямо пропорциональна силе возбуждающего воздействия F_в, а также зависит от механических свойств D(r) и m решетчатой структуры.

При достаточно больших величинах деформирующего воздействия нелинейность D в точках принимает очень большое значение (точки перегиба). С другой стороны в остальных точках D квазилинейна.

Полученное соотношение свидетельствует также о том, что при увеличении F_∂ растет коэффициент A_n фазовых гармоник (W_n). Для каждой фазовой гармоники (W_n) все последующие за ней (W_n+1; W_n-2 ......) формируют ℏ︀_n; k_n; c_M..

Аналогичная ситуация существует и в физическом вакууме, что ведет к образованию новых Вселенных со своими ℏ︀,k и c.

Частота фонона прямо пропорционально и линейно будет зависеть от энергии возбуждающего воздействия, что и требовалось доказать.

ω_φ= E•1/h_φ
Операция внешнего деформирующего воздействия может осуществляться следующими способами: путем обычного механического растяжения (сжатия) с помощью специальных механизмов; путем сопряжения изначально нагретых и охлажденных деталей с соответствующими размерами сопрягающих частей; путем помещения решетчатых структур в сильные постоянные электрические и(или) магнитные поля, в особенности, если они обладают стрикцией.

Необходимо отметить, что любой вид постоянного деформирующего воздействия в большей или меньшей степени неизбежно приводит к возникновению величина которого зависит от свойств решетчатой структуры, а также типа и силы деформирующего воздействия.

В формуле изобретения по п. 2 в качестве решетчатых структур используются структуры, обладающие стрикцией (ферриты, кварцы и т.д.). В таких структурах постоянное деформирующее воздействие удобней всего осуществлять с помощью электрических (магнитных) полей. Переменное возбуждающее воздействие накладывается на постоянное деформирующее воздействие, в результате чего образуются бегущие акустические волны, состоящие из высокоэнергетических фононов.

Для получения высокоэнергетических фононов были применены магнитострикционные решетчатые структуры (феррит, сталь, железо), которые возбуждались переменным магнитным полем на разных частотах при отсутствии постоянного внешнего воздействия в виде постоянного магнитного поля и искусственной деформации и наличии их по отдельности и вместе. Сами магнитострикционные структуры имели форму кольца с прорезью шириной 0,5 мм. Через обмотку, намотанную на кольцо, протекал переменный ток, образуя внешнее возбуждающее воздействие в виде переменного магнитного поля. При отсутствии внешнего постоянного магнитного поля и деформации возбуждаемый прорезью воздушный поток был очень слаб и воспринимался только чувствительным датчиком. При наложении постоянного магнитного поля интенсивность возбужденного воздушного потока резко возрастала и воспринималась ухом.

Искусственное деформирующее воздействие (вместе с постоянным магнитным полем) приводило к еще более интенсивному возбуждению воздушного потока, при этом интенсивность его оставалась неизменной до сотен килогерц, о чем свидетельствовало также постоянство амплитуды тока в обмотке, так как форма его полностью соответствовала характеру деформаций, происходящих в кольце с
Данный эксперимент свидетельствует о наличии в решетчатой структуре феррита высокоэнергетических фононов в виде бегущей деформации, которая приводит к смешению (Δδ∂) стенок прорези с частотой возбуждающего воздействия и колебанию воздушного потока с той же частотой.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения очевидна и открывает возможности создания новых систем и устройств в электронике, акустике и других областях техники. Так как теории бегущих деформационных (акустических) волн и высокотемпературной сверхпроводимости имеют общую природу в плане образования высокоэнергетических фононов, способных переносить энергию в решетчатой структуре на большие расстояния (бегущая деформация) и образовывать сильные связи между электронами (куперовские пары в сверхпроводниках), то получаемый эффект от внедрения этого способа намного превышает затраты, необходимые для формирования постоянного внешнего воздействия и возбуждающего воздействия (в случае акустических волн).

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано в акустических системах, а также в целях создания высокотемпературной сверхпроводимости. Сущность изобретения заключается в том, что для образования высокоэнергетических фонов решетчатую структуру твердого тела подвергают постоянному внешнему воздействию магнитного поля, электрического поля, искусственной деформации по отдельности или в различных количественных сочетаниях, а затем возбуждают с помощью переменных полей и(или) частиц до появления высокоэнергетических фононов, которые образуют бегущие акустические волны как объемного, так и поверхностного типа или сверхпроводящее состояние (при ℏ︀ω_м>=кТ) в проводниках, при этом образуется зависимость верхнего предела энергии фононов ℏ︀ω_м от величины постоянного внешнего воздействия, которое влияет как на энергию акустических волн, так и на температуру перехода θ_п проводника в сверхпроводящее состояние kθ_п=ℏ︀ω_м (где k и ℏ︀ -постоянные, соответственно Больцмана и Планка; ω_м - максимальная частота фононов). 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения высокоэнергетических фононов (ℏ︀ω_м) в решетчатых структурах, включающий операцию возбуждения упорядоченного движения фононов с помощью переменных полей, отличающийся тем, что предварительно создают условия для их образования путем наложения на решетчатую структуру постоянного внешнего деформирующего воздействия с помощью магнитного поля, электрического поля, искусственной деформации по отдельности или в различных количественных сочетаниях, в результате чего появляются высокоэнергетические фононы, приводящие к возникновению бегущих акустических волн как объемного, так и поверхностного типа или сверхпроводящего состояния при при этом образуется зависимость верхнего предела энергии фононов ℏ︀ω_м от величины внешнего деформирующего воздействия, которая влияет как на энергию акустических волн, так и на температуре перехода θ_п проводника в сверхпроводящее состояние (где фононовые постоянные соответственно Больцмана и Планка для решетчатых структур, подвергнутых деформации, ω_м - максимальная частота фононов). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве решетчатых структур применяют структуры, обладающие стрикцией.