HYPERSONS

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Interactions

À côté de l'interaction phonon acoustique-phonon thermique responsable de l'atténuation des hypersons, de nombreux autres effets d'interactions peuvent exister : l'effet des dislocations, la diffraction par les défauts cristallins, les effets thermo-élastique, acousto-électrique dans les milieux semi-conducteurs, magnéto-élastique dans les milieux ferromagnétiques. Sont également possibles des interactions avec les phonons acoustiques, les photons, les électrons de conduction dans les métaux, les systèmes de spins nucléaires, les spins électroniques dans les matériaux paramagnétiques, les porteurs de charges dans les matériaux piézo-électriques. On évoquera seulement ici certaines de ces interactions considérées comme les plus significatives.

Interaction avec une autre onde hypersonore

Par suite du caractère anharmonique du potentiel interatomique, deux ondes hypersonores peuvent interagir. Les règles de sélection sont alors celles relatives au processus Normal : conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Ainsi, lorsque les phonons acoustiques de fréquence ν1 et ν2 et de nombre d'onde k1 et k2, interfèrent, ils forment un phonon acoustique de fréquence ν3 tel que ν3 = ν+ ν2 et de nombre d'ondes k3 tel que k3 = kk2. N. S. Shiren a pu observer qu'une onde hypersonore de 8,5 GHz dans l'oxyde de magnésium MgO à 2 K est partiellement convertie en une onde de 17 GHz ; il a également pu montrer que si la puissance d'une onde de pompe à 16,5 GHz est suffisante ( a), on peut amplifier l'onde signal à 8,5 GHz. Le gain qu'il a obtenu est de 3,5 dB/cm. D'autres expériences ont montré la création d'ondes hypersonores de 20 GHz à partir d'ondes de 10 GHz, ce qui est un bon moyen pour fabriquer des hypersons de hautes fréquences.

Interaction : montages expérimentaux

Dessin : Interaction : montages expérimentaux

Montages expérimentaux d'interaction 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Interaction avec les photons

Le milieu cristallin soumis à un champ électrique intense (laser) se déforme par électrostriction ; de même l'indice de réfraction d'un cristal dépend des contraintes locales. Une onde hypersonore se comporte donc comme un réseau optique d'indice variable qui progresse à la vitesse du son. Les photons sont réfléchis sous l'incidence de Bragg avec diminution de fréquence conformément aux règles de sélection. Si le faisceau lumineux est intense, l'amplification paramétrique prend naissance ; la génération se produit même en l'absence d'onde hypersonore initiale. C'est l'effet Brillouin stimulé observé par B. T. Chiao, C. W. Townes et B. P. Stoicheff sur le quartz et le saphir à température ambiante. Cet effet constitue un bon moyen pour engendrer des hypersons très intenses jusqu'à quelques dizaines de GHz dans des cristaux ou des couches minces, à fortes constantes élasto-optiques.

Interaction avec les électrons

Les métaux absorbent les hypersons beaucoup plus que les isolants. En effet, un champ électrique accompagne l'onde élastique par suite du déplacement relatif des ions et des électrons. Il en résulte des pertes par effet Joule et, tant que le libre parcours moyen des électrons reste inférieur à la longueur d'onde hypersonore, il existe un coefficient d'atténuation qui croît comme la résistivité électrique et comme le carré de la fréquence. À la température de l'hélium liquide, une onde hypersonore de 1 GHz peut se propager sur quelques millimètres dans l'aluminium. L'atténuation chute brusquement dans le cas d'un métal supraconducteur.

Les milieux semi-conducteurs non piézo-électriques absorbent beaucoup moins : 40 dB/cm à 1 GHz pour le germanium à température ambiante par exemple. Dans les milieux semi-conducteurs piézo-électriques, l'onde hypersonore est accompagnée d'un champ électrique important ; il en résulte des pertes par effet Joule et un coefficient d'atténuation supplémentaire. L'atténuation est proportionnelle à la conductivité, donc au nombre de porteurs de charges, au carré du coefficient de couplage et au carré de la fréquence.

A. R. Hutson, J. H. McFee et D. L. White ont montré que l'amplification acoustique peut être obtenue si un champ électrique impose aux électrons un mouvement d'ensemble à une vitesse supérieure à la vitesse du son, car ce sont alors les électrons qui fournissent de l'énergie à l'onde hypersonore. La difficulté de ce type d'amplification provient du fait que le bruit de fond thermique est lui aussi amplifié et interagit avec l'onde hypersonore.

Interaction : montages expérimentaux

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Montages expérimentaux d'interaction 

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Interaction avec les ondes de spin

Les ondes de spin proviennent de la propagation [...]

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Onde hypersonore longitudinale : atténuation

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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 07 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hypersons/