量子声学

声学的分支

量子声学是指以量子力学和量子场论为基础，研究固体中特超声和声波及声子的产生、检测和传播规律,=以及声子与其他粒子和微观结构的相互作用，以及量子液体一一液氦中的声学现象的一门声学分支学科。量子声学的基本物理模型由于特超声的频率高、波长短，此时媒质不能再看做是连续的,而认为是离散的、量子化的。

理论诠释

原子、分子等微观结构需要用量子力学来描述，与之相应的声学分支就是量子声学。量子化的声波（机械波）称为声量子或声子。声子是一种准粒子，能量是hν（h是普朗克常数，ν是振动频率）。它的某些性质像光子，遵从玻色-爱因斯坦统计（见量子统计法），具有波粒二象性。这个概念首先是由爱因斯坦和P.德拜为了解释低温下固体的比热容提出的。可以说，广义的量子声学是研究声子的各种行为的声学分支。通常把金属中的点阵振动称为热声子，而量子声学着重讨论外加声波（声子）与物质微观结构的作用，包括与其他准粒子或元激发（如热声子、各种激子）和基本粒子（如电子、光子）的碰撞等，这些相互作用是揭示和了解近代物理中许多重要现象的物理基础。

举例来说，描述固体弹性媒质最简单的模型是以若干等间距的质量代表原子或离子，串以无质量的弹簧来代表它们之间的相互作用的长程电磁力；当声波波长短到与这些间距相近时，就不能无视声波传播对这些“质量”的微观结构以及它们之间相互作用的影响了。当然，实际情况要比这个模型复杂得多。

实验发现和解释

值得提出的是超导电性和超流动性与声传播的关系。1954年，H.伯梅尔在铅单晶的声衰减实验中发现，当温度降到超导体的转变温度以下时，衰减突然变小；而若用磁场使它处于正常导电态，则衰减又很快上升，直到在很低温时它变成与温度无关。这种奇异的行为是超导金属中声子和电子相互作用的结果。因此声子的研究在解释超导机制方面起了重要的作用。这个实验结果和1957年J.巴丁、L.库珀和J.施里弗建立了的超导微观理论（简称BCS理论）结论基本吻合，该理论指出由于电子和声子的相互作用，形成超导的电子对（称库珀对），且在超导态的激发态和基态间存在着能隙（它是温度的函数，从超导转变温度时能隙值为从零到达绝对零度时的最大值）。接近绝对零度的一定温度范围内，液态氦处在HeⅡ相，黏滞性消失，具有超流动性。这样的介质具有量子特性，存在通常介质中没有的波模式，如第二、第三、第四声，它们都是与超流动性紧密相联的模式。这些模式的频率较低，但仍属于量子声学研究的范畴。

前沿课题

从上例可以说明，高频和低频以及量子系统和经典系统之间没有截然的界限。但是，一般说来，当频率高到109Hz以上时，量子行为即显示出来。但是在接近绝对零度时，量子液体（如超流液氦这类物质）中的量子行为，在几千赫的频率下就会出现，而伯梅尔的超导能隙实验也只是在几十兆赫下进行的（见声与固体微观结构的关系），因此有些科学家把超导和超流中声传播统称为低温声学。以氦为例，自然界中氦的稳定同位素4He和3He的化学性质是相同的，但由于各自遵从量子统计法之异，使二者物理性质没有相同之处。这两种液体所表现的现象使人们实地观察到量子论的威力。在温度趋近0K时，在常压下最难液化的氦也成为液态。在1930年前后荷兰科学家W.科梭姆发现4He在 2.17K时液态氦经历一“λ”相变，在此温度Tλ以上称为HeI相，以下称HeⅡ相。在HeⅡ中出现液体的粘滞性消失，还可出现穿过极微毛细管或塞满细粉的空间而流动的超流动性和极好的导热性。这种行为已由苏联科学家朗道和匈牙利科学家L.蒂萨分别提出用正常流体成分和能无摩擦运动的超流成分所组成的“二流体模型”来唯象地描述和解释。而从微观理论研究表明这种特性是量子力学在大范围内作用（也称宏观量子现象）的结果。因4He原子是玻色子，玻色子体系在温度趋近 0K时，粒子会凝集到动量为零的状态（这些粒子就相当于超流成分）称玻色－爱因斯坦凝聚。依量子力学中4He原子的德布罗意波波长与动量间的反比关系，动量为零态即相当于波函数的波长趋于无限，故它在坐标空间是长程有序，可以用一个宏观波函数来描述。而波函数的相位的梯度即是超流速度。因此，从超流液氦的研究使通常只能在微观尺度上显示出来的量子力学效应，可在宏观尺度上显示出来。超流环流的量子化与普朗克常数相联，在2.1个原子层厚度的极薄膜中可以观察波长极长的第三声的传播。液氦－3（3He）是费米流体（即遵从费米-狄拉克统计的流体），需要温度进一步下降到10－3K时，才呈现出各向异性的磁性超流体，并多于一相。它的正常成分的粘滞性非常大，因此类似于液氦－4（4He）的第一、二声衰减甚烈。但是在其中可传播一种由费米面的形变为特征的无碰撞声，称第零声。并已在实验中观察到。此外，还有多种声模式，均值得进一步探讨。总之，量子声学对物质结构提供重要信息，液氦超流和核质子及中子数有联系，均属物理学和声学的前沿课题。

发展前景

已能产生1012Hz以上的高频声子束，并继续向更高频率和声子的相干性发展，例如采用超导隧道结的方式等等。这类产生传播以及接收均包含不少近代基础物理问题，应该说量子声学的前景是广阔的。

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