Гиперзвук, упругие волны с частотой от 10⁹ до 10¹²—10¹³ гц; высокочастотная часть спектра упругих волн. По физической природе гиперзвук ничем не отличается от ультразвука, частоты которого простираются от 2·10⁴ до 10⁹ гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами среды — электронами, фононами, магнонами и др.

На дальность распространения гиперзвука в твердых телах, наряду с теплопроводностью и внутренним трением, большое влияние оказывают его взаимодействия с тепловыми фононами, электронами, магнонами (спиновыми волнами) и др.
В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание гиперзвука определяется в основном его нелинейным взаимодействием с тепловыми фононами. На сравнительно низких частотах действуют так называемый механизм «фононной вязкости» (механизм Ахиезера). Он заключается в том, что звуковая волна нарушает равновесное распределение тепловых фононов по спектру, и вызванное ею перераспределение энергии между различными фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксационный характер; роль времени релаксации играет время жизни фонона τ=l/c, где l – длина свободного пробега фонона, с – средняя скорость гиперзвука. Этот механизм дает вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он является доминирующим при комнатных температурах, при которых выполняется условие ωτ≤1 (ω – частота гиперзвука).
В области ω~10¹⁰ – 10¹¹ Гц и при низких температурах (при температуре жидкого гелия), когда ωτ≥1, происходит непосредственное взаимодействие когерентных фононов с тепловыми, которое удобно рассматривать в рамках квантовых представлений. Взаимодействие когерентного и теплового фононов приводит к появлению третьего, также теплового, фонона и, следовательно, с учетом законов сохранения энергии и импульса – к уменьшению звуковой энергии, т.е. поглощению звука (так называемый механизм Ландау – Румера).
При распространении гиперзвука в кристаллах полупроводников (а также и металлов) имеет место взаимодействие гиперзвука с электронами проводимости (электрон-фононное взаимодействие). Основными механизмами здесь является электромагнитная, пьезоэлектрическая и магнитоупругая связи, относительный вклад которых определяется типом материала. В кристалле полупроводников затухание и дисперсия гиперзвука происходят в результате его взаимодействия с пространственными зарядами, обусловленными внутренними электрическими полями. В непьезоэлектрических полупроводниках связь упругих волн с носителями заряда осуществляется главным образом через деформационный потенциал. Особый интерес представляет распространение гиперзвука в пьезоэлектрических материалах, где упругие волны сопровождаются электромагнитными волнами и наоборот. В этом случае существует также другой механизм электрон-фононного взаимодействия, обусловленный электрической поляризацией, связанной с акустическими модами колебаний; она может приводить к локальному накоплению заряда и к периодическому электрическому потенциалу. Если к пьезоэлектрическому кристаллу приложить постоянное электрическое поле, вызывающее дрейф электронов со скоростью, большей скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая её. Если же скорость когерентных фононов больше дрейфовой скорости электронов, то фононы отдают свой импульс электронам, т.е. имеет место акустоэлектрический эффект.
Для металлов характерны те же эффекты, что и для полупроводников, но из-за большого затухания гиперзвука эти эффекты становятся заметны при температурах ниже 10 К, когда вклад в затухание за счет колебаний решетки становится незначительным. Распространение упругой волны в металле вызывает движение катионов, и если электроны не успевают следовать за ними, то возникают электрические поля, которые воздействуют на электроны, создают электрический ток. В случае продольной волны изменения плотности создают пространственный заряд, который непосредственно генерирует электрические поля. Для поперечных волн изменения плотности отсутствуют, но смещения положительных ионов вызывают осциллирующие магнитные поля, создающие электрическое поле, действующее на электроны. Таким образом, электроны получают энергию от упругой волны и теряют ее в процессах столкновения, ответственных за электрическое сопротивление. Электроны релаксируют путем столкновения с решеткой положительно заряженных ионов (примесями, тепловыми фононами и т.д.), в результате чего часть энергии возвращается обратно к упругой волне, которая переносится решеткой положительных ионов. Затухание гиперзвука в металлах пропорционально частоте. Если металл – сверхпроводник, то при температуре перехода в сверхпроводящее состояние электронное поглощение резко уменьшается. Это объясняется тем, что с решеткой, а следовательно, и с упругой волной взаимодействуют только электроны проводимости, число которых уменьшается с понижением температуры, а сверхпроводящие электроны (объединенные в куперовские пары), число которых при этом растет, в поглощении гиперзвука не участвуют. Разрушение сверхпроводимости внешним магнитным полем приводит к резкому возрастанию поглощения.
Постоянное магнитное поле существенно влияет на движение электронов, искривляя их траектории, что сказывается на характере акустоэлектронного взаимодействия в металлах. При этом на определенных частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, например квантовой осцилляции и акустический циклотронный резонанс.
Изучение затухания гиперзвука в металлах на электронах проводимости позволяет получить важные характеристики металлов (поверхность Ферми, энергетическая щель в сверхпроводниках и т.д.).
В парамагнетиках прохождение гиперзвука подходящей частоты и поляризации в результате спин-фононного взаимодействия может вызвать изменение магнитного состояния атомов. Так гиперзвук с частотой ~10¹⁰Гц, распространяясь в кристаллах парамагнетиков, помещенных в магнитное поле, может привести к избирательному поглощению, т.е. акустическому парамагнитному резонансу. При помощи акустического парамагнитного резонанса оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, которые являются запрещенными для электронного парамагнитного резонанса. В магнитноупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферритах), помимо рассмотренных выше взаимодействий гиперзвука с веществом, появляются другие, где играют роль магнитоупругие взаимодействия (магнон-фононные взаимодействия). Так распространение гиперзвуковой волны вызывает появление спиновой волны и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвуковой волны. Поэтому в общем случае в таких кристаллах распространяются не чисто спиновые или упругие волны, а связанные магнитоупругие волны.

Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (так называемые сверхвысокие частоты). Частота 10⁹ Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре должна быть одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах (в частности в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.
 

Изучение затухания гиперзвука в металлах на электронах проводимости позволяет получить важные характеристики металлов (поверхность Ферми, энергетическая щель в сверхпроводниках и т.д.).

При помощи акустического парамагнитного резонанса оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, которые являются запрещенными для электронного парамагнитного резонанса.

Т. о., свойства гиперзвука позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твёрдого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для т. н. акустических линий задержки в области СВЧ (ультразвуковые линии задержки).

Современные методы генерации и приёма гиперзвука основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества (возникновения электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрического кристалла, например на пластинке кварца, вырезанной определенным образом под действием механической деформации, и, наоборот, деформация кристалла, помещенного в электрическое поле) и магнитострикции (изменения формы и размеров тела при намагничивании и изменения намагниченности при деформации).

Одним из наиболее распространённых методов генерации гиперзвука является его возбуждение с поверхности пьезоэлектрического кристалла. Для этого последний своим торцом помещается в ту часть резонатора, где имеется максимальная напряжённость электрического поля СВЧ; если кристалл — не пьезоэлектрик, то на его торец наносится тонкая пьезоэлектрическая плёнка, например из сернистого кадмия. Под действием электрического поля СВЧ возникает переменная деформация с той же частотой, которая распространяется по кристаллу со скоростью гипперзвука в виде продольной, или сдвиговой, волны. При этом источником этой волны служит сама торцовая поверхность кристалла. В свою очередь, механическая деформация вызывает на поверхности кристалла появление электрического заряда и, следовательно, подобным же образом может осуществляться приём гиперзвука.