Ukrainian Journal of Physical Optics
2026 Volume 27, Issue 3
ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)
SYMMETRY-TENSORIAL ANALYSIS OF THE ELECTRO-ELASTIC EFFECT IN CRYSTALS: COMPARING SIMILARITIES AND DIFFERENCES WITH THE POCKELS EFFECT
O. Mys, Yu. Vasylkiv and R. Vlokh
Ukr. J. Phys. Opt.
Vol. 27
,
Issue 3 , pp. 03106 - 03138 (2026).
doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2026.03106
ABSTRACT
In the present work, the electro-elastic effect has been considered for all Curie and point groups of crystal symmetry, except for the triclinic system, when an electric field is applied along the principal crystallographic directions. Relations for the change in acoustic wave velocities under the electric field are derived. It has been shown that, in many cases, the electro-elastic effect behaves similarly to the Pockels effect in optics. The rotation of the eigen vectors of the optical-frequency impermeability tensor caused by the linear electro-optic effect is analogous to the rotation of the eigen vectors of the Christoffel tensor in acoustics. In some symmetry point groups, the application of an electric field necessitates rewriting the elastic stiffness tensor in the rotated coordinate system. It has been found that if the non-orthogonality is induced by the electric field, the dependence of the respective acoustic wave velocities on the electric field is quadratic; otherwise, it is linear. By applying an electric field, one can control the angle of non-orthogonality. The angle of non-orthogonality can be induced by an electric field in all high-symmetry groups, including Curie groups and groups of cubic, middle, and orthorhombic systems, whenever the application of the electric field results in an abrupt lowering of symmetry, at least to the monoclinic system. In this case, the velocities of the AWs that acquire non-orthogonality depend quadratically on the electric field. In cases where the angle of non-orthogonality increases under the electric field, the acoustic wave velocities contain both linear and quadratic terms in the electric field strength.
Keywords:
electro-elastic effect, acoustic wave velocities, Pockels effect, symmetry
UDC:
535.5, 534.22
- Fedorov, F. I. (2013). Theory of elastic waves in crystals. Springer Science & Business Media.
- Brillouin, L. (1922). Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène. In Annales de Physique (Vol. 9, No. 17, pp. 88-122).
doi:10.1051/anphys/192209170088 - Debye, P., & Sears, F. W. (1932). On the scattering of light by supersonic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences, 18(6), 409-414.
doi:10.1073/pnas.18.6.409 - Lucas, R., & Biquard, P. (1932). Optical properties of solid and liquid medias subjected to high-frequency elastic vibrations. Jour. De. Phys, et Rad, 3, 464-477.
doi:10.1051/jphysrad:01932003010046400 - Brillouin, L. (1914). Light diffusion by a homogeneous transparent body. Cr Hebd Acad Sci, 158, 1331-1334.
- Bell, A. G. (1880). On the production and reproduction of sound by light. American Journal of Science, 3(118), 305-324.
doi:10.2475/ajs.s3-20.118.305 - Hruška, K. (1963). Tensor of polarizing correction terms of quartz elastic coefficients. Cechoslovackij fiziceskij zurnal B, 13(4), 307-308.
doi:10.1007/BF01688470 - Hruška, K. (1961). The influence of an electric field on the frequency of piezoelectric cuts. Czechoslovak Journal of Physics, 11(2), 150-152.
doi:10.1007/BF01688619 - Hruška, K. (1962). An attempt at a phenomenological interpretation of the influence of a polarizing field on piezoelectric resonators. Cechoslovackij fiziceskij zurnal B, 12(5), 338-353.
doi:10.1007/BF01696235 - Sytcheva, A., Löw, U., Yasin, S., Wosnitza, J., Zherlitsyn, S., Thalmeier, P., ... & Lüthi, B. (2010). Acoustic faraday effect in tb 3 ga 5 o 12. Physical Review B-Condensed Matter and Materials Physics, 81(21), 214415.
doi:10.1103/PhysRevB.81.214415 - Lee, Y., Haard, T. M., Halperin, W. P., & Sauls, J. A. (1999). Discovery of the acoustic Faraday effect in superfluid 3He-B. Nature, 400(6743), 431-433.
doi:10.1038/22712 - McSkimin, H. J., Andreatch Jr, P., & Thurston, R. N. L. (1965). Elastic moduli of quartz versus hydrostatic pressure at 25 and− 195.8 C. Journal of Applied Physics, 36(5), 1624-1632.
doi:10.1063/1.1703099 - Wei, Y., Ba, J., & Carcione, J. M. (2022). Stress effects on wave velocities of rocks: Contribution of crack closure, squirt flow and acoustoelasticity. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127(10), e2022JB025253.
doi:10.1029/2022JB025253 - Smith, R. T., Stern, R., & Stephens, R. W. B. (1966). Third‐order elastic moduli of polycrystalline metals from ultrasonic velocity measurements. The Journal of the Acoustical Society of America, 40(5), 1002-1008.
doi:10.1121/1.1910179 - Sinha, B. K., & Kostek, S. (1996). Stress-induced azimuthal anisotropy in borehole flexural waves. Geophysics, 61(6), 1899-1907.
doi:10.1190/1.1444105 - Resch, M. T., Nelson, D. V., Yuce, H. H., & Ramusat, G. F. (1985). A surface acoustic wave technique for monitoring the growth behavior of small surface fatigue cracks. Journal of Nondestructive Evaluation, 5(1), 1-7.
doi:10.1007/BF00568757 - Vlokh, O.G., Zheludev, I.S. (1960). The change of the optical properties of crystals under an electric field application (Linear electrooptic effect). Krystallografiya, 5(3), 390-402.
- Halliyal, A., Bhalla, A. S., & Newnham, R. E. (1983). Polar glass ceramics-A new family of electroceramic materials: Tailoring the piezoelectric and pyroelectric properties. Materials Research Bulletin, 18(8), 1007-1019.
doi:10.1016/0025-5408(83)90013-2 - Castelletto, V., & Hamley, I. W. (2026). Chiral glass formation by Dipeptide salts. Biomacromolecules, 27(3), 2251-2259.
doi:10.1021/acs.biomac.5c02634 - Masai, H. (2022). Optically active glass with a multifaceted approach. Journal of Non-Crystalline Solids: X, 15, 100105.
doi:10.1016/j.nocx.2022.100105 - McMurdie, H. F., Morris, M. C., DeGroot, J., & Swanson, H. E. (1971). Crystallography of some double sulfates and chromates. Journal of Research of the National Bureau of Standards. Section A, Physics and Chemistry, 75(5), 435.
doi:10.6028/jres.075A.034 - Varlamova, L. A., Ignatov, S. K., Fukina, D. G., Konakov, A. A., Masunov, A. E., Suleymanov, E. V. (1918). Nonlinear Optical Properties of Mixed Oxide Crystals CsNbMoO6 and CsTaMoO6: A Periodic CPHF/KS Study. The Journal of Physical Chemistry C, 122(43), 24907-24916.
doi:10.1021/acs.jpcc.8b07117 - Won, J., Zhang, R., Peng, C., Kumar, R., Gebre, M. S., Popov, D., ... & Shoemaker, D. P. (2024). High-pressure characterization of Ag3AuTe2: Implications for strain-induced band tuning. Applied Physics Letters, 125(21).
doi:10.1063/5.0223472 - Belouet, C. (1980). Growth and characterization of single crystals of KDP family. Progress in Crystal Growth and Characterization, 3(2-3), 121-156.
doi:10.1016/0146-3535(80)90016-7 - Stadnicka, K., Glazer, A. M., Singh, S. T., & Sliwinski, J. (1982). The structure and spontaneous polarisation of the ferroelectric phase of dicalcium strontium propionate. Journal of Physics C: Solid State Physics, 15(12), 2577-2586.
doi:10.1088/0022-3719/15/12/007 - Sennova, N., Bubnova, R., Shepelev, J., Filatov, S., & Yakovleva, O. (2007). Li2B4O7 crystal structure in anharmonic approximation at 20, 200, 400 and 500° C. Journal of Alloys and Compounds, 428(1-2), 290-296.
doi:10.1016/j.jallcom.2006.03.049 - Hobden, M. V. (1969). Optical activity in a non-enantiomorphous crystal of class 4: CdGa2S4. Acta Cryst. A25, 633-638.
doi:10.1107/S0567739469001410 - Vlokh, R., Vlokh, O. V., Skab, I., & Girnyk, I. (2002). Optical properties of langbeinites II. Domain structure observation. Ukr. J. Phys. Opt, 3, 215-230.
doi:10.3116/16091833/3/3/215/2002 - Beevers, C. A., & Hughes, W. (1940). Crystal structure of Rochelle salt. Nature, 146(3690), 96-96.
doi:10.1038/146096a0 - Vlokh, O. G. (1998). Parametric crystal optics of nonmagnetic ferroics. Condens Matter Phys, 1, 339-56.
doi:10.5488/CMP.1.2.339 - Kihara, K. (1990). An X-ray study of the temperature dependence of the quartz structure. European Journal of Mineralogy, 63-78.
doi:10.1127/ejm/2/1/0063 - Newnham, R. E., & Cross, L. E. (2005). Ferroelectricity: The foundation of a field from form to function. MRS Bulletin, 30(11), 845-848.
doi:10.1557/mrs2005.272 - Wood, E. A., & Holden, A. N. (1957). Monoclinic glycine sulfate: crystallographic data. Acta Crystallographica, 10(2), 145-146.
doi:10.1107/S0365110X57000481 - Vysochankii, Yu.M., Janssen, T., Currat, R., Folk, R., Banys, J., Grigas, J., Samulionis, V. (2006). Phase transitions in ferroelectric phosphorous chalcogenide crystals. Vilnius University Publishing House.
-
У цій роботі розглянуто електропружний ефект для всіх груп симетрії Кюрі та точкових груп кристалів, за винятком триклінної системи, коли електричне поле прикладається вздовж головних кристалографічних напрямків. Виведено співвідношення для зміни швидкостей акустичних хвиль під дією електричного поля. Було показано, що в багатьох випадках електропружний ефект поводиться подібно до ефекту Поккельса в оптиці. Обертання власних векторів тензора діелектричної непроникності, спричинене лінійним електрооптичним ефектом, аналогічне обертанню власних векторів тензора Крістоффеля в акустиці. У деяких точкових групах симетрії прикладення електричного поля призводить до необхідності записування тензора пружної модулів в повернутій системі координат. Було виявлено, що якщо неортогональність індукується електричним полем, залежність відповідних швидкостей акустичних хвиль від електричного поля є квадратичною; в іншому випадку вона є лінійною. Прикладаючи електричне поле, можна контролювати кут неортогональності. Кут неортогональності може бути індукований електричним полем у всіх групах високої симетрії, включаючи групи Кюрі та групи кубічної, середніх та орторомбічної сингоній, коли прикладання електричного поля призводить до різкого зниження симетрії, принаймні до моноклінної сингонії. У цьому випадку швидкості акустичних хвиль, які набувають неортогональності, залежать квадратично від електричного поля. У випадках, коли кут неортогональності змінюється під дією електричного поля, швидкості акустичних хвиль містять як лінійні, так і квадратичні члени за напруженістю електричного поля.
Ключові слова: електропружний ефект, швидкості акустичних хвиль, ефект Поккельса, симетрія
This work is licensed under CC BY 4.0