Depuis environ un demi-siècle, les physiciens se sont interrogés sur les vibrations du verre à basse température. La raison : le verre transporte les ondes sonores et les vibrations différemment des autres solides – il « vibre différemment ». Mais pourquoi? Et comment calculer correctement la propagation du son dans le verre ?
Deux physiciens de l’Université de Constance, Matthias Fuchs et Florian Vogel, ont maintenant trouvé la solution en reprenant un vieux modèle, créé il y a une vingtaine d’années et rejeté par les experts de l’époque, et en le retravaillant. Leur nouveau point de vue sur l’ancienne théorie a maintenant été publié dans la revue Lettres d’examen physique.
Vibrations amorties
Si vous envoyez des ondes sonores à travers du verre et que vous les mesurez très précisément, vous remarquerez un certain amortissement des vibrations qui est absent dans d’autres solides. Elle a des conséquences considérables sur les propriétés thermiques du verre, telles que le transfert de chaleur et les capacités calorifiques. L’effet est bien connu en physique, mais jusqu’à présent, aucun modèle théorique ne pouvait le décrire correctement et fournir le cadre de calculs plus complexes de la propagation du son dans le verre.
Les verres sont des solides désordonnés. Contrairement aux solides cristallins, les particules qui composent le verre ne sont pas régulièrement disposées. Dans la plupart des solides, les particules sont presque parfaitement « alignées », comme des blocs de construction disposés dans un réseau précis. Lorsqu’une vibration ondulatoire est excitée dans de tels solides cristallins à basse température, les particules transmettent la vibration à leurs voisines sans amortissement. La vibration fonctionne dans une onde uniforme sans perte, comparable à une onde la-ola dans un stade.
Ce n’est pas le cas dans le verre. Ses particules ne sont pas disposées dans un réseau régulier, mais ont des positions aléatoires sans ordre rigoureux. Les ondes d’oscillation venant en sens inverse ne sont pas transmises selon un schéma uniforme. Au lieu de cela, les vibrations arrivent aux positions aléatoires des particules et sont reportées selon un schéma aléatoire correspondant.
Le résultat est que l’onde uniforme est brisée et se disperse en plusieurs vagues plus petites. Cet effet de dispersion provoque l’amortissement. Le physicien Lord Rayleigh a utilisé ce mécanisme de diffusion de la lumière par les irrégularités de l’atmosphère pour expliquer la couleur bleue du ciel, c’est pourquoi cet effet est appelé « amortissement de Rayleigh ».
Redécouverte d’un modèle mis au rebut
Il y a environ 20 ans, les physiciens Marc Mezard, Giorgio Parisi (Prix Nobel de Physique 2021), Anthony Zee et leurs collègues décrivaient ces anomalies dans le verre par un modèle d’oscillations dans des positions aléatoires appelé « Euclidean random matrix approach » (ERM). « Un modèle simple qui était fondamentalement la solution », explique Matthias Fuchs, professeur de théorie de la matière molle condensée à l’Université de Constance. Cependant, le modèle présentait encore quelques incohérences et a donc été rejeté par les experts – et est tombé dans l’oubli.
Matthias Fuchs et son collègue Florian Vogel ont repris l’ancien modèle. Ils ont trouvé des solutions aux questions ouvertes auxquelles la communauté scientifique ne pouvait pas répondre à l’époque et ont examiné le modèle révisé en examinant ses diagrammes de Feynman. Ces graphiques utiles ont été introduits par Richard Feynman dans la théorie quantique des champs et ont révélé les régularités dans les modèles des ondes diffusées.
Les résultats de Matthias Fuchs et Florian Vogel ont fourni des calculs réalistes de la propagation du son et de l’effet d’amortissement dans le verre. « Mezard, Parisi et Zee avaient raison dans leur modèle perspicace – les oscillations harmoniques dans un arrangement désordonné expliquent les anomalies du verre à basse température », explique Fuchs.
Le modèle redécouvert, cependant, est loin d’être la fin de l’histoire. « Pour nous, c’est le point de départ : nous avons trouvé le bon modèle que nous pouvons maintenant utiliser pour d’autres calculs, en particulier des effets de la mécanique quantique », déclare Matthias Fuchs. « Bonnes vibrations » pour la recherche.
Plus d’information:
Florian Vogel et al, Phénomènes vibratoires dans les verres à basse température capturés par la théorie des champs des oscillateurs harmoniques désordonnés, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.236101