Les physiciens redécouvrent une théorie abandonnée pour résoudre le mystère de la façon dont le verre amortit le son.

4 juillet 2023

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par l'Université de Konstanz

Pendant 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 peut-on calculer correctement la propagation du son dans le verre ?

Deux physiciens de l'Université de Konstanz, Matthias Fuchs et Florian Vogel, ont maintenant trouvé la solution - en reprenant un ancien modèle, créé il y a environ 20 ans et rejeté à l'époque par des experts, et en le retravaillant. Leur nouvelle approche de l'ancienne théorie a maintenant été publiée dans la revue Physical Review Letters.

Si vous envoyez des ondes sonores à travers du verre et les mesurez très précisément, vous remarquerez un certain amortissement des vibrations qui est absent dans d'autres solides. Cela a des conséquences importantes sur les propriétés thermiques du verre, telles que le transfert de chaleur et les capacités thermiques. L'effet est bien connu en physique, mais jusqu'à présent, il n'existait aucun modèle théorique pouvant le décrire correctement - et fournir le cadre pour des 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 disposées régulièrement. Dans la plupart des solides, les particules sont presque parfaitement "alignées", comme des blocs de construction disposés dans une structure précise. Lorsqu'une vibration de type ondulatoire est excitée dans de tels solides cristallins à basse température, les particules transmettent la vibration à leurs voisines sans amortissement. La vibration se propage sous forme d'onde uniforme sans perte, comparable à une vague de 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 strict. Les ondes d'oscillation arrivent aux positions aléatoires des particules et se propagent de manière correspondamment aléatoire.

Le résultat est que l'onde uniforme se brise et se disperse en plusieurs ondes plus petites. Cet effet de dispersion entraîne 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".

Il y a environ 20 ans, les physiciens Marc Mezard, Giorgio Parisi (Prix Nobel de physique 2021), Anthony Zee et leurs collègues ont décrit ces anomalies dans le verre par un modèle d'oscillations à des positions aléatoires connu sous le nom d'"approche de matrice aléatoire euclidienne" (ERM). "Un modèle simple qui était fondamentalement la solution", explique Matthias Fuchs, professeur de théorie de la matière condensée molle à l'Université de Konstanz. 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 que la communauté scientifique n'a pas pu résoudre 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 schémas des ondes dispersées.

Les résultats de Matthias Fuchs et Florian Vogel ont permis des calculs fidèles 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 agencement désordonné expliquent les anomalies du verre à basse température", explique Fuchs.

Cependant, le modèle redécouvert 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 pour les effets quantiques", déclare Matthias Fuchs. De "bonnes vibrations" pour la recherche.

Informations sur la revue : Physical Review Letters

Fourni par Université de Konstanz