Origine du pic de boson dans les solides amorphes

Des scientifiques de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour mieux comprendre les propriétés inhabituelles des solides amorphes, comme le verre. Ils ont découvert que certains défauts dynamiques aident à expliquer les modes vibratoires autorisés à l’intérieur du matériau. Ces travaux peuvent conduire à maîtriser les propriétés des matériaux amorphes.

Parfois, le verre coûteux est présenté comme du « cristal », mais pour les spécialistes des matériaux, cela ne pourrait pas être plus éloigné de la vérité. Les cristaux sont formés d’atomes disposés en motifs ordonnés et répétitifs, tandis que le verre est un solide désordonné et amorphe. Les scientifiques savent qu’à basse température, de nombreux matériaux désordonnés ont des propriétés très similaires les unes aux autres, notamment la chaleur spécifique et la conductivité thermique. De plus, ces propriétés diffèrent considérablement de celles des matériaux fabriqués à partir de cristaux ordonnés. De plus, à une certaine gamme de fréquences, les matériaux vitreux ont un plus grand nombre de modes de vibration disponibles que les cristaux, connus dans le domaine sous le nom de « pic de boson ». Bien que diverses théories aient été proposées, les mécanismes physiques sous-jacents à ces observations sont restés une question de recherche active.

Désormais, des scientifiques de l’Université de Tokyo ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées de dynamique moléculaire pour calculer numériquement les facteurs de structure dynamique transversale et longitudinale de verres modèles sur une large gamme de fréquences. Ils ont découvert que les mouvements vibratoires en forme de cordes, dans lesquels des lignes courbes de particules emballées en forme de « C » à l’intérieur du matériau peuvent se déplacer ensemble, se sont avérés être des moteurs importants des effets anormaux. « Ces défauts dynamiques fournissent une explication commune de l’origine des modes dynamiques les plus fondamentaux des systèmes vitreux », a déclaré le premier auteur Yuan-Chao Hu. En plus du pic de boson, ces défauts dynamiques en forme de cordes peuvent engager les types de relaxation rapide et lente observés dans les particules constituant le verre.

Cette recherche a de nombreuses implications importantes pour la science fondamentale et les applications industrielles, car le pic de boson se trouve dans de nombreux systèmes, pas seulement dans les verres. « Nous montrons que le pic du boson provient de vibrations quasi localisées de défauts dynamiques en forme de cordes », explique l’auteur principal Hajime Tanaka. Être capable d’expliquer cette caractéristique éclairera de nombreux autres types de matériaux désordonnés. Cela profitera également aux nombreux utilisateurs d’appareils intelligents, car presque tous les smartphones, tablettes et ordinateurs portables à écran tactile reposent sur des matériaux en verre que les résultats de cette étude pourraient améliorer.

L’ouvrage est publié dans Physique naturelle.