Les phonons sont des particules sonores ou des vibrations quantifiées d'atomes dans des matériaux solides. Le modèle Debye, une théorie introduite par le physicien Peter Debye en 1912, décrit la contribution des phonons à la chaleur spécifique des matériaux et explique pourquoi la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température des solides chute fortement à basse température.
Le modèle Debye suppose que les fréquences vibratoires sont distribuées de manière continue dans un matériau solide. Des études antérieures ont toutefois montré que lorsque les phonons ont des longueurs d'onde particulièrement courtes, certaines anomalies peuvent apparaître.
La première de ces anomalies signalées, la singularité dite de Van Hove (VHS), est caractérisée par des caractéristiques nettes de la densité d'états vibrationnels (DOS) observées dans les cristaux. Le second, appelé pic de boson, entraîne un excès significatif de DOS dans les solides amorphes ou les verres.
Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences et de l'Université Jiaotong de Xi'an ont récemment introduit un nouveau modèle unifié qui pourrait expliquer ces deux anomalies dans le comportement vibratoire des solides. Ce cadre, présenté dans un article publié dans Physique naturellepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'étude des vibrations quantifiées dans les solides ordonnés et désordonnés.
« La théorie de Debye traite les phonons basse fréquence comme des ondes élastiques dans un milieu continu, déduisant que la densité d'états vibrationnels basse fréquence (VDOS) est proportionnelle au carré de la fréquence, expliquant ainsi quantitativement la loi cubique de la capacité thermique spécifique à basse température », a déclaré Gan Ding, premier auteur de l'article, à Issues.fr.
« Il présente pourtant deux limitations majeures. Premièrement, lorsque la longueur d'onde s'approche du réseau, la périodicité à longue portée du réseau conduit à une singularité dans le VDOS, connue sous le nom de VHS. Deuxièmement, dans les solides amorphes sans périodicité à longue portée, les phonons basse fréquence s'écartent de la prédiction de Debye, ce qui entraîne un excès dans le VDOS, connu sous le nom de BP. «
Expliquer les deux anomalies vibratoires signalées
L'objectif premier des travaux récents de Ding et de ses collègues était donc d'expliquer à la fois la VHS et la BP, tout en mettant en lumière la relation entre ces deux anomalies. Pour ce faire, l'équipe a d'abord développé un nouveau modèle mathématique qui traite les vibrations dans les solides comme des phonons « élastiques » qui résonnent avec des modes locaux.
« Un phonon est une quasi-particule qui présente une dualité onde-particule », a expliqué Ding.
« En commençant par la propagation et la diffusion des phonons, nous avons théoriquement dérivé le comportement d'amortissement et la dispersion non linéaire pour un système vibrationnel à plusieurs degrés de liberté. Cela a conduit à une expression analytique pour le VDOS qui unifie la description des cristaux ordonnés et des verres désordonnés. »
À l’aide du modèle mathématique qu’ils ont introduit, les auteurs ont construit un diagramme de phases décrivant les variations des anomalies vibrationnelles des matériaux en fonction de leur comportement élastique, de leur rigidité et de leur densité. Notamment, ce diagramme de phases est applicable aux deux anomalies signalées précédemment qui ne sont pas expliquées par le modèle Debye.
« Nous avons fourni un cadre clair pour identifier les VHS, BP et leur coexistence », a déclaré Ding.
« La validité du modèle unifié des phonons est en outre étayée par une comparaison avec les données expérimentales sur la capacité thermique d'un large éventail de solides réels, englobant 143 matériaux cristallins et vitreux. Notre article clarifie non seulement l'origine physique du BP et sa relation avec le VHS, mais approfondit également la compréhension fondamentale des limites élastiques des solides en tant que milieux continus. «
Orienter les futures recherches et conceptions de matériaux
Les prédictions faites par le modèle des chercheurs se sont avérées conformes aux observations expérimentales antérieures d'anomalies vibrationnelles dans un large éventail de matériaux solides. À l’avenir, leur modèle pourrait permettre de recueillir des informations importantes sur l’émergence de ces anomalies au sein de divers matériaux.
Le cadre unifié de l'équipe pourrait également éclairer la conception de nouveaux matériaux à faible conductivité thermique, tels que les verres et les alliages à haute entropie, qui pourraient avoir des applications technologiques précieuses. Parallèlement, il pourrait être utilisé pour étudier les propriétés quantiques que présentent les solides amorphes à basse température, telles que la supraconductivité.
« Dans de futures recherches, nous prévoyons d'appliquer ce modèle théorique pour aborder les controverses en cours dans la physique de la matière condensée, telles que le comportement non phononique à basse fréquence des solides amorphes dans la limite du milieu continu, les anomalies de conductivité thermique à basse température et même la supraconductivité », a ajouté Ding.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
