Fisici riscoprono una teoria scartata per risolvere un mistero su come il vetro smorzi il suono.

4 luglio 2023

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a cura dell'Università di Konstanz

Da circa cinquant'anni, i fisici si sono interrogati sulle vibrazioni nel vetro alle basse temperature. Il motivo: il vetro trasporta onde sonore e vibrazioni in modo diverso rispetto agli altri solidi, "vibra diversamente". Ma perché? E come si può calcolare correttamente la propagazione del suono nel vetro?

Due fisici dell'Università di Konstanz, Matthias Fuchs e Florian Vogel, hanno trovato la soluzione prendendo in considerazione un vecchio modello, creato circa 20 anni fa e respinto dagli esperti dell'epoca, e lo hanno rielaborato. La loro nuova visione sulla vecchia teoria è stata pubblicata nella rivista Physical Review Letters.

Se invii onde sonore attraverso il vetro e le misuri con grande precisione, noterai un certo smorzamento delle vibrazioni che è assente negli altri solidi. Ciò ha conseguenze di vasta portata sulle proprietà termiche del vetro, come il trasferimento di calore e le capacità termiche. L'effetto è ben noto in fisica, ma finora non c'era un modello teorico che potesse descriverlo correttamente e fornire il quadro per calcoli più complessi sulla propagazione del suono nel vetro.

I vetri sono solidi disordinati. A differenza dei solidi cristallini, le particelle che compongono il vetro non sono disposte regolarmente. Nella maggior parte dei solidi, le particelle sono disposte quasi perfettamente "in fila", come mattoncini disposti in un reticolo preciso. Quando una vibrazione a onde viene eccitata in tali solidi cristallini a basse temperature, le particelle passano la vibrazione ai loro vicini senza smorzamento. La vibrazione si propaga in un'onda uniforme senza perdite, simile a un'onda del pubblico in uno stadio.

Non è così nel vetro. Le sue particelle non sono disposte in un reticolo regolare, ma hanno posizioni casuali senza un ordine rigoroso. Le onde di oscillazione in arrivo non si propagano in un modello uniforme. Invece, le vibrazioni arrivano alle posizioni casuali delle particelle e vengono portate avanti in un modello corrispondentemente casuale.

Il risultato è che l'onda uniforme si spezza e si disperde in diverse onde più piccole. Questo effetto di dispersione causa lo smorzamento. Il fisico Lord Rayleigh ha utilizzato questo meccanismo di scattering della luce per le irregolarità nell'atmosfera per spiegare il colore blu del cielo, motivo per cui questo effetto viene chiamato "smorzamento di Rayleigh".

Circa 20 anni fa, i fisici Marc Mezard, Giorgio Parisi (Premio Nobel per la Fisica 2021), Anthony Zee e colleghi descrissero queste anomalie nel vetro tramite un modello di oscillazioni in posizioni casuali noto come "approccio delle matrici casuali euclidee" (ERM). 'Un modello semplice che fondamentalmente era la soluzione', spiega Matthias Fuchs, professore di teoria della materia condensata morbida presso l'Università di Konstanz. Tuttavia, il modello aveva ancora alcune incongruenze ed era pertanto stato scartato dagli esperti - ed era caduto nell'oblio.

Matthias Fuchs e il suo collega Florian Vogel hanno ripreso il vecchio modello. Hanno trovato soluzioni alle domande aperte che la comunità scientifica non riusciva a rispondere all'epoca e hanno esaminato il modello riveduto osservando i suoi diagrammi di Feynman. Questi utili grafici sono stati introdotti da Richard Feynman nella teoria quantistica dei campi e hanno rivelato le regolarità nei modelli delle onde sparse.

I risultati di Matthias Fuchs e Florian Vogel hanno fornito calcoli realistici sulla propagazione del suono e l'effetto di smorzamento nel vetro. 'Mezard, Parisi e Zee avevano ragione nel loro intelligente modello: le oscillazioni armoniche in un arrangiamento disordinato spiegano le anomalie del vetro alle basse temperature', spiega Fuchs.

Tuttavia, il modello riscoperto è lontano dalla fine della storia. 'Per noi, è il punto di partenza: abbiamo trovato il modello giusto che ora possiamo utilizzare per ulteriori calcoli, in particolare sugli effetti meccanici quantistici', afferma Matthias Fuchs. 'Buone vibrazioni' per la ricerca.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

Fornito da: Università di Konstanz