Físicos redescubren una teoría desechada para resolver un misterio de cómo el vidrio amortigua el sonido.

4 de julio de 2023

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por la Universidad de Konstanz

Desde hace aproximadamente medio siglo, los físicos se han preguntado sobre las vibraciones en el vidrio a bajas temperaturas. La razón: el vidrio transporta ondas sonoras y vibraciones de manera diferente que otros sólidos, "vibra de manera diferente". Pero, ¿por qué? ¿Y cómo se puede calcular correctamente la propagación del sonido en el vidrio?

Dos físicos de la Universidad de Konstanz, Matthias Fuchs y Florian Vogel, han encontrado ahora la solución, retomando un modelo antiguo que se creó hace unos 20 años y que fue rechazado por expertos en ese momento, y trabajándolo nuevamente. Su nueva visión sobre la antigua teoría ha sido publicada en la revista Physical Review Letters.

Si envías ondas sonoras a través del vidrio y las mides con mucha precisión, notarás una cierta amortiguación de las vibraciones que no está presente en otros sólidos. Esto tiene consecuencias de gran alcance para las propiedades térmicas del vidrio, como la transferencia de calor y las capacidades térmicas. El efecto es bien conocido en la física, pero hasta ahora no existía un modelo teórico que pudiera describirlo correctamente y proporcionar el marco para cálculos más complejos de la propagación del sonido en el vidrio.

Los vidrios son sólidos desordenados. A diferencia de los sólidos cristalinos, las partículas que componen el vidrio no están dispuestas regularmente. En la mayoría de los sólidos, las partículas casi se "alinean" perfectamente, como bloques de construcción dispuestos en una red precisa. Cuando se excita una vibración tipo onda en tales sólidos cristalinos a bajas temperaturas, las partículas transmiten la vibración a sus vecinos sin amortiguación. La vibración se propaga en una onda uniforme sin pérdida, comparable a una ola la-ola en un estadio.

No ocurre así en el vidrio. Sus partículas no están dispuestas en una red regular, sino que tienen posiciones aleatorias sin un orden estricto. Las ondas de oscilación que se acercan no se transmiten de manera uniforme. En cambio, las vibraciones llegan a las posiciones aleatorias de las partículas y avanzan en un patrón correspondientemente aleatorio.

El resultado es que la onda uniforme se rompe y se dispersa en varias ondas más pequeñas. Este efecto de dispersión causa la amortiguación. El físico Lord Rayleigh utilizó este mecanismo de dispersión de la luz por irregularidades en la atmósfera para explicar el color azul del cielo, por lo que este efecto se llama "amortiguamiento de Rayleigh".

Hace unos 20 años, los físicos Marc Mezard, Giorgio Parisi (Premio Nobel de Física 2021), Anthony Zee y colegas describieron estas anomalías en el vidrio mediante un modelo de oscilaciones en posiciones aleatorias conocido como "enfoque de matriz aleatoria euclidiana" (ERM, por sus siglas en inglés). "Un modelo sencillo que básicamente era la solución", dice Matthias Fuchs, profesor de teoría de la materia condensada blanda en la Universidad de Konstanz. Sin embargo, el modelo aún tenía algunas inconsistencias y, por lo tanto, fue descartado por expertos y cayó en el olvido.

Matthias Fuchs y su colega Florian Vogel retomaron el viejo modelo. Encontraron soluciones a las preguntas sin respuesta que la comunidad científica no pudo responder en ese momento y examinaron el modelo revisado observando sus diagramas de Feynman. Estos útiles gráficos fueron introducidos por Richard Feynman en la teoría cuántica de campos y revelaron las regularidades en los patrones de las ondas dispersas.

Los resultados de Matthias Fuchs y Florian Vogel proporcionaron cálculos realistas de la propagación del sonido y el efecto de amortiguamiento en el vidrio. "Mezard, Parisi y Zee estaban en lo correcto con su modelo perspicaz: las oscilaciones armónicas en una disposición desordenada explican las anomalías del vidrio a bajas temperaturas", explica Fuchs.

No obstante, el modelo redescubierto está lejos de ser el final de la historia. "Para nosotros, es el punto de partida: hemos encontrado el modelo correcto que ahora podemos utilizar para cálculos adicionales, especialmente en cuanto a efectos cuánticos", dice Matthias Fuchs. "Buenas vibraciones" para la investigación.

Información de la revista: Physical Review Letters

Proporcionado por: Universidad de Konstanz