Акустомагнитоэлектрический эффект – возникновение поперечной ЭДС под действием УЗ-волны в твердом проводнике, помещенном в магнитное поле. Акустомагнитоэлектрический эффект обусловлен увлечением носителей заряда УЗ-волной и отклонением потоков носителей заряда магнитным полем. При прохождении ультразвука через проводник с биполярной проводимостью (собственно полупроводник, полуметалл) возникают потоки электронов проводимости и дырок в направлении распространения УЗ. Под действием перпендикулярного к ним магнитного поля эти потоки отклоняются в противоположные стороны. В результате возникает эдс (или ток в случае электрически замкнутого проводника) в направлении, перпендикулярном к магнитному полю и к УЗ-потоку. Таким образом, акустомагнитоэлектрический эффект в биполярных проводниках аналогичен фотомагнитоэлектрическому эффекту с той разницей, что потоки электронов и дырок обусловлены не градиентом концентрации носителей, вызванным неоднородным освещением образца, а УЗ-волной.
В монополярных проводниках (примесных полупроводниках) происхождение акустомагнитоэлектрического эффекта сложнее. Если в направлении УЗ-потока образец электрически замкнут, то имеет место акустоэлектрический эффект Холла, отличающийся от обычного Холла эффекта тем, что продольный (диссипативный) ток создается не внешим электрическим полем, а УЗ-потоком. Если же в направлении распространения УЗ-потока образец разомкнут, то возникает акустоэлектрическое поле, которое компенсирует действие УЗ-волны на носители заряда так, что полный электрический ток в направлении УЗ-потока будет равен нулю. Однако такая компенсация воздействия УЗ-потока акустоэлектрическим полем имеет место не для каждого электрона в отдельности, а лишь для некоторого "среднего" электрона. Изменение распределения электронов по импульсам под действием УЗ-потока по своему виду существенно отличается от того, которое вызывается электрическим полем. Поэтому в зависимости от энергии для одних электронов преобладающим оказывается воздействие УЗ-потока, для других – воздействие компенсирующего акустоэлектрического поля. В результате при равенстве нулю полного акустоэлектрического (продольного) тока в образце будут существовать взаимно компенсирующиеся "парциальные" токи, создаваемые группами энергетически различных электронов. Вследствие зависимости времени свободного пробега электронов от их энергии средние подвижности электронов в этих "парциальных" токах будут в общем случае различны. Токи Холла, образуемые этими группами электронов, не будут компенсировать друг друга, и в направлении, перпендикулярном к магнитному полю и УЗ-потоку, возникнут отличные от нуля акустомагнитоэлектрический ток (если образец замкнут в этом направлении) или эдс (если образец разомкнут). Величина и даже знак акустомагнитоэлектрического эффекта в примесных полупроводниках зависят от механизма рассеяния носителей заряда.
Акустомагнитоэлектрическое поле по порядку величины равно:
 

где е – заряд электрона, s – скорость звука, α– коэффициент поглощения звука, W – плотность потока звуковой энергии, μ– подвижность носителей тока, n – концентрация носителей тока, Н – напряженность магнитного поля.
Акустомагнитоэлектрический эффект возможен также в планарной конфигурации, когда векторы звукового потока, магнитного поля и акустомагнитоэлектрического поля лежат в одной плоскости. В этом случае акустомагнитоэлектрический эффект является эффектом, четным по магнитному полю.
Первоначально предсказанный теоретически, акустомагнитоэлектрический эффект в дальнейшем был обнаружен экспериментально в (биполярных) полуметаллах (Bi, графит) и монополярных полупроводниках (In, Sb, Те). Подобно фотомагнитоэлектрическому эффекту, биполярный акустомагнитоэлектрический эффект может быть использован для измерения скорости поверхностной рекомбинации и времени жизни носителей заряда в полупроводниках. Изучение акустомагнитоэлектрического эффекта в монополярных полупроводниках дает информацию о механизмах рассеяния носителей.
 

Во второй половине XX столетия ультразвуковые методы исследования в области физики твердого тела получили интенсивное развитие и ознаменовались крупными достижениями как в области изучения фундаментальных свойств строения вещества, так и в плане прикладного использования полученных результатов.
Действительно, акустические методы позволяют проводить тончайшие исследования строения и физических свойств вещества в широких пределах температуры, давления, магнитных полей и других параметров.
В основе современных представлений о динамике кристаллов лежит концепция квазичастиц, или элементарных возбуждений в твердом теле. Именно структуры квазичастиц, характер их взаимодействия и связывания определяют термодинамические, кинетические, механические, электромагнитные и магнитные свойства кристаллов. Соответственно, знание этих свойств позволяет сформулировать способы воздействия на их спектры с целью целенаправленного изменения свойств и получения веществ с заданными характеристиками.
Ультразвуковые методы (УЗ – методы) в этом вопросе занимают одно из центральных мест.
В Донецком физико – техническом институте эти методы широко используются для комплексных исследований магнитоакустики металлов и магнитодиэлектриков.
Для металла можно дать определение как твердое тело, обладающее «поверхностью Ферми» (ПФ). Именно понятие ПФ, т.е. структуры энергетического спектра электронов проводимости металла, развитое в квантовой физике, позволяет наиболее полно и ясно объяснить твердость и ковкость, электро- и теплопроводность, внешний блеск и прочие характеристики металла.
Наряду с другими методами изучения ПФ широко используются ультразвуковые. Их несомненное преимущество – устранение трудностей изучения металлов на высоких частотах, связанных с существованием скин-слоя. Действительно, суть явления проста. Если через металл распространяется УЗ – волна, то она приводит к появлению в металле осциллирующего электрического поля из-за смещений ионов. Это электрическое поле обладает теми же волновыми характеристиками, что и вызвавшая его УЗ-волна. То есть, по сути, мы получаем электромагнитную волну, способную проходить через металл и не связанную с проблемами скин-слоя, как это имеет место для обычной электромагнитной волны.
Как результат взаимодействия поля УЗ-волны с электронами проводимости вслед за Пиппардовскими осцилляциями был открыт целый ряд магнитоакустических эффектов. Среди них: квантовомеханический магнитоакустический резонанс; «эффект автофазировки» в наклонном магнитном поле; доплер – сдвинутый акустический циклотронный резонанс.
На примере открытого в ДонФТИ доплерон-фононного резонанса были выявлены целый ряд общих закономерностей взаимодействия электронных возбуждений в твердом теле.
Эффективными оказались УЗ-методы при исследовании явления сверхпроводимости.
Использование акустических методов при изучении полупроводников привело к обнаружению ряда акустоэлектронных явлений, обусловленных взаимодействием УЗ-волн с носителями заряда: усиление звука дрейфовым потоком носителей, акустоэлектрический эффект, генерация звука, акустомагнитоэлектрический эффект и др.
На их основе выросла целая новая отрасль техники – акустоэлектроника, открывающая перспективы создания принципиально новых приборов на твердом теле: усилителей и генераторов звуковых и электромагнитных колебаний, модуляторов света, активных УЗ линий задержки, детекторов и т.д.
Нельзя не упомянуть так же обширную область исследований, связанную с акустическими ядерными и электронным парамагнитным резонансами, целый массив исследований и технических приложений, связанных с использованием поверхностных акустических волн.
В последние годы благодаря УЗ-методам исследования достигнут заметный прогресс в понимании динамики фазовых превращений в магнитодиэлектриках. Экспериментальные исследования магнитоакустики ориентационных фазовых превращений (переходов второго рода «порядок-порядок») позволило выявить тонкие эффекты динамического взаимодействия упругой, спиновой и электромагнитной подсистем магнетиков, обобщить и согласовать имеющиеся до того теоретические модели, создать наиболее полную на сегодняшний день физическую картину явлений.
Учитывая, что область фазовых превращений, где параметры вещества существенно и резко изменяются в зависимости от внешних факторов, является наиболее востребованной в технических приложениях, такие исследования весьма актуальны и продолжают активно развиваться.
Однако, при исследовании магнитодиэлектриков УЗ-методами возникли значительные проблемы, которые при исследовании металлов достаточно не проявлялись. Чтобы понять их, рассмотрим, вкратце, работу ультразвукового спектрометра. При исследовании твердых тел нами используется эхо-импульсный метод, который заключается в следующем: для измерения затухания и скорости распространения УЗ-волны в образец перпендикулярно его плоскопараллельным граням вводится достаточно короткий (по сравнению с временем прохождения звука по образцу) высокочастотный ультразвуковой импульс (рисунок 1). Наблюдая многократные отражения этого импульса параллельных торцов образца, можно судить, как быстро, в зависимости от времени и пройденного расстояния, последовательно отражающиеся импульсы затухают по амплитуде.
 

На рисунке 2 показан пример серии отраженных эхо-импульсов:

Измерив амплитуды двух соседних импульсов, и зная толщину образца, можно вычислить затухание:

дБ/ед. длины, (1)

где X₁ – X₂ – расстояние между отражениями
A(X₁), A(X₂) – амплитуды соседних эхо-импульсов (двойная толщина образца, так как импульс между отражениями дважды проходит образец).
Для измерения скорости необходимо двойную толщину образца разделить на время между соседними эхо-импульсами. При проведении измерений для определения относительных изменений скорости с высокой разрешающей способностью используются различные другие методы. Нами, в основном, используется фазовый метод.
Введение звукового импульса в образец осуществляется пъезопреобразователями из кварца или ниобата лития.
В упрощенном виде блок-схема ультразвукового спектрометра показана на рисунке 3:
 

Синхрогенератор, генерирующий прямоугольные видеоимпульсы с длительностью, задаваемой условиями эксперимента запускает ВЧ-генератор, на выходе которого получаем радиоимпульсы с частотой заполнения равной основной гармонике пъезопреобразователя или его нечетным гармоникам. Радиоимпульс подводится к преобразователю, где в результате пъезоэффекта превращается в звуковую волну. Звуковой импульс, пройдя образец и отразившись от противоположной грани, вновь попадает на пъезопреобразователь, где в связи с обратимостью пъезоэффекта, вновь превращается в электрический сигнал. Отраженные сигналы усиливаются широкополосным усилителем и подаются на осциллограф и регистрирующий прибор (самописец).
Рассмотрим суть возникших при исследовании магнитодиэлектриков проблем. Исследование металлов проходило, в основном при температурах жидкого гелия 1,8⁰-4,2⁰К, когда акустическая связка между образцом и пъезопреобразователем находилась в замороженном состоянии и слабо влияла на распространение УЗ-волны, внося в затухания постоянный вклад, неизменный в рабочем диапазоне температур.
Область температур, в которых проводятся исследования магнитодиэлектриков очень широкая. Нами проводились исследования в диапазоне от 1,8⁰ до 500⁰ К. И не учитывать влияние акустической связки уже нельзя. Более того, при работах с температурами выше 320⁰К для температурной развязки применяются буферные стержни из природного или плавленого кварца, которые так же в значительной мере влияют на затухание УЗ-волны. В данной ситуации изменение амплитуды одного промежуточного импульса не будет адекватно отражать поведение затухания в образце.
Амплитуда промежуточного импульса может уменьшаться, что говорит о возрастании затухания, а количество их возрастает, а это отражает ситуацию уменьшения затуханий. Подобный эффект наблюдался при исследовании Fe₃BO₆.
В данном случае для правильной интерпретации результатов необходимо записывать всю последовательность отраженных эхо-импульсов, и в каждой точке вычислять затухание.
Следующий момент: при исследовании металлов изменения носили, в основном, осциллирующий характер, скорость которых можно было регулировать скоростью развертки магнитного поля. И двухкоординатный самописец, включаемый для регистрации, не вносил задержки.
При исследовании фазовых превращений в магнитодиэлектриках переход из одной фазы в другую зачастую происходит скачком и на изменении сигнала это сказывается в виде ступеньки. Этот скачок совершается столь резко, что самописец уже вносит задержку при записи, а, зачастую и вообще, не позволяет регистрировать сигнал. Тогда приходится данные снимать по точкам, что наглядно видно в работах по исследованию ErFeO₃.
Другая проблема, возникшая при снятии фазовых диаграмм Н-Т: когда на какой-то период необходимо зафиксировать температуру и провести протяжку магнитного поля. И это необходимо проводить в широком диапазоне температур. Точность поддержания температуры, особенно в момент фазового перехода должна быть не хуже 0,1⁰ К. Подобная ситуация и при снятии зависимости изменения скорости от температуры.