HYPERSONS

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On appelle hypersons ou ondes hypersonores les ondes acoustiques ou élastiques cohérentes dont la fréquence est supérieure à 109 Hz. La structure périodique de la matière et l'ordre de grandeur des dimensions atomiques limitent leur fréquence maximale possible aux environs de 1013 Hz.

La longueur d'onde des hypersons varie de quelques micromètres pour 109 Hz à quelques dizaines de nanomètres pour 1013 Hz. Ces très courtes longueurs d'ondes expliquent que la propagation des ondes hypersonores ne peut se faire convenablement que dans les milieux monocristallins exempts de défauts.

Par ailleurs, les fréquences des ondes élastiques incohérentes dues à l'agitation thermique d'un corps s'étendent jusqu'à 1013 Hz avec un maximum au voisinage de 1013 Hz pour la température ambiante et au voisinage de 1011 Hz à l'approche du zéro absolu. Il se produit une très forte interaction entre ces ondes élastiques incohérentes et les hypersons, ce qui entraîne une très grande absorption de ces derniers lorsque le corps n'est pas refroidi en-dessous d'une température de l'ordre de quelques dizaines de kelvins. Cette interaction porte le nom d'interaction phonon acoustique-phonon thermique car à ces fréquences apparaît la nature quantique des ondes élastiques. Le quantum qui intervient alors (le phonon) est caractérisé par une énergie hν, un vecteur d'onde k et une quantité de mouvement hk. Dans le cas le plus simple, le choc de deux phonons se fait avec conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement : c'est le processus Normal. Mais il peut se faire sans conservation de la quantité de mouvement : c'est le processus Umklapp.

À côté de cette interaction incontrôlable, des interactions hypersonores contrôlables sont possibles avec les électrons, les trous, les spins, les ondes de spins, les photons... et, suivant le sens dans lequel s'effectuent les échanges d'énergie, les hypersons peuvent être fortement atténués ou amplifiés.

Les hypersons permettent, par leurs interactions fortement couplées, des expériences fondamentales aux fréquences thermiques, comme l'étude de la durée de vie des phonons thermiques et donc de la conductivité thermique, l'étude de la dispersion (ω, k) et donc des forces interatomiques, l'étude de la superconductivité électrique, des phénomènes de transport dans les solides, des transitions énergétiques dans les semiconducteurs. Enfin, les distorsions, les défauts et les impuretés d'un réseau cristallin donnent naissance à de nombreux spectres magnétiques, vibratoires ou électroniques qu'il est possible d'analyser à l'aide des hypersons car les règles de sélection relatives aux transitions correspondant à ces spectres favorisent l'excitation des phonons par rapport à celle des ondes électromagnétiques.

Un intérêt technique, qui va croissant, concerne l'application des hypersons de basse fréquence (ondes de volume ou ondes de surface), non seulement aux lignes à retard variables et dispersives (pour traiter certains signaux électriques) ou non dispersives (mémoires circulantes), mais aussi aux modulateurs de lumière (déflexion et corrélation optique), et aux amplificateurs acousto-électriques (compensation des pertes de propagation, amplification, oscillateurs).

La principale limitation à l'emploi des hypersons de très haute fréquence provient de leur difficulté d'excitation et de détection. On a jusqu'à présent pu exciter et détecter des hypersons dont la fréquence atteint 114 GHz.

Propagation et atténuation

Une bonne propagation des hypersons nécessite l'emploi de cristaux refroidis. Or, contrairement au cas des solides isotropes, dans un monocristal l'énergie ne peut pas toujours se propager dans la direction du vecteur d'onde. Associées à un plan d'onde donné, il peut exister trois ondes distinctes dont la direction de propagation de l'énergie et dont les vitesses sont différentes. Leurs mouvements vibratoires sont toujours perpendiculaires l'un à l'autre sans qu'aucun d'entre eux, en général, ne soit contenu dans le plan d'onde ou soit orthogonal à celui-ci. Dans la plupart des cristaux, malgré tout, il existe des directions dans lesquelles une onde longitudinale ou transversale pure (dont le vecteur d'onde est colinéaire au vecteur de propagation de l'énergie) peut se propager. Par exemple, dans le cas du quartz, l'axe X (axe de symétrie d'ordre 2) est une direction de propagation pure pour l'onde longitudinale de vitesse 5,75 km/s et les deux ondes transversales de vitesses respectives 5,18 km/s et 3,36 km/s, l'axe Z (axe de symétrie d'ordre 3) est une direction de propagation pure pour l'onde longitudinale uniquement et les axes AC et BC (axes particuliers contenus dans un plan perpendiculaire à l'axe X, et perpendiculaires entre eux) sont les directions de propagation pures pour les ondes transversales uniquement.

Les expériences de H. Bömmel et K. Dransfeld et celles de E. H. Jacobsen ont permis de mesurer l'atténuation en fonction de la température de l'onde hypersonore longitudinale dans le quartz suivant l'axe X pour des fréquences allant jusqu'à 114 GHz. Les résultats obtenus sont en bon accord avec le mécanisme d'absorption de A. Akhieser selon lequel le passage de l'onde hypersonore dans le cristal détruit la distribution d'équilibre de Planck des phonons thermiques ; le rétablissement de cet équilibre nécessite alors un accroissement d'entropie qui conduit à l'absorption de l'onde hypersonore. L'atténuation qui décroît brutalement lorsque le libre parcours moyen des phonons thermiques dépasse la longueur d'onde hypersonore, serait donc due à un processus Umklapp faisant intervenir des interactions avec les phonons thermiques. En particulier, la loi en T4 reconnue valable entre 4 K et 20 K pour les ondes transversales indique qu'il s'agit là d'un processus à trois phonons dans lequel le phonon acoustique se combine à un phonon thermique pour donner un autre phonon thermique de fréquence plus élevée.

Onde hypersonore longitudinale : atténuation

Dessin : Onde hypersonore longitudinale : atténuation

Atténution de l'onde hypersonore longitudinale dans le quartz suivant l'axe X. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Onde hypersonore longitudinale : atténuation

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Interaction : montages expérimentaux
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Écrit par :

  • : directeur technique de la branche des équipements médicaux de la société Thomson-C.S.F., président-directeur général de la C.G.R.-Ultrasonic

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Pour citer l’article

Pierre TOURNOIS, « HYPERSONS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hypersons/