GENERATION AND DETECTION OF ULTRASONIC WAVES BEYOND 100 GHz

Résumé
Le phénomène de piézoélectricité devrait théoriquement permettre la production et la détection des ondes sonores dans un domaine de fréquences couvrant la totalité du spectre de vibrations d'un solide, soit des fréquences atteignant quelque 10¹³ Hz. Un avantage important de la méthode est l'indépendance pratiquement totale de l'effet piézoélectrique vis-a-vis des conditions locales de température, de pression et des chamsp électriques continus. Un inconvénient apparaît dans la détection des ondes élastiques de fréquence supérieure à 100 GHz ; en effet, le front d'onde doit être parallèle à la surface piézoélectrique ou faire avec celle-ci un angle inférieur a λ/D environ (λ représente la longueur d'onde sonore et D la dimension linéaire de la surface utilisée du transducteur). Cette condition devient de plus en plus difficile à respecter à haute fréquence lorsque λ atteint quelque 10 à 100 Å, D mesurant habituellement 10^-1 cm environ. Même si cette condition géométrique était parfaitement remplie, de petits défauts de l'échantillon créeraient une distorsion suffisante du front d'onde. Ces conditions n'empêchent pas, cependant, la production, par effet piézoélectrique, d'ondes élastiques de haute fréquence. Différents procédés permettent la détection d'ondes sonores de haute fréquence : 1) utilisation de détecteurs incohérents (par exemple spins) sensibles à des champs sur des distances de l'ordre de grandeur des dimensions atomiques, ou 2) utilisation de systèmes de détection macroscopiques (par exemple jonction Josephson) qui bien que de dimensions supérieures à celles de l'atome sont beaucoup plus petits que les dimensions transversales de l'échantillon. Ces méthodes sont couramment étudiées dans notre laboratoire et seront discutées plus longuement.

Abstract
The phenomenon of piezoelectricity should permit the generation of sound waves over virtually the entire elastic vibrational spectrum of a solid which covers frequencies up to some 10¹³ Hz. A great advantage of the piezoelectric method is that its dynamical behavior is almost totally independent of the local environment as regards temperature, pressure, and ambient D. C. fields. A disadvantage presents itself in the detection of elastic waves above roughly 100 GHz owing to the fact that the wave front must be parallel to the piezoelectric surface to within an angle of approximately (λ/D), where λ is the sonic wavelength and D is the cross-sectional dimension of the transducer surface. This condition becomes increasingly difficult to meet at high frequencies where λ may range from ten to hundreds of Angstroms, and D will be typically about 10^-1 cm. Even if perfect geometric alignment were possible, small imperfections in the sample would distort the wave front to a significant degree. These conditions do not, however, prevent efficient generation of high frequency elastic waves by means of the piezoelectric effect. Possible ways to detect high frequency sound are to : 1) employ incoherent detectors (e. g. spins) which respond to fields over atomic dimensions or 2) use macroscopic detection systems (e. g. Josephson junctions) which, though larger than an atom, are much smaller than typical transverse dimensions of the sample. These methods are currently under study in our laboratory and will be discussed at greater length.