Forståelse for hvordan lydbølger bevæger sig gennem uordnede materialer

Et team af forskere ledet af University of Tsukuba har skabt en ny teoretisk model for at forstå spredningen af ​​vibrationer gennem uordnede materialer, såsom glas. De fandt ud af, at når graden af ​​lidelse steg, lydbølger rejste mindre og mindre som ballistiske partikler, og begyndte i stedet at diffundere usammenhængende. Dette arbejde kan føre til nyt varme- og splintresistent glas til smartphones og tablets.

Det er vigtigt at forstå de mulige vibrationstilstande i et materiale for at kontrollere dets optiske, termisk, og mekaniske egenskaber. Spredning af vibrationer i form af lyd af en enkelt frekvens gennem amorfe materialer kan forekomme på en samlet måde, som om det var en partikel. Forskere kalder gerne disse kvasipartikler for 'fononer'. Imidlertid, denne tilnærmelse kan bryde sammen, hvis materialet er for uordentligt, hvilket begrænser vores evne til at forudsige glasets styrke under en lang række omstændigheder.

Nu, et team af forskere under ledelse af University of Tsukuba har udviklet en ny teoretisk ramme, der forklarer de observerede vibrationer i glas med bedre overensstemmelse med eksperimentelle data. De demonstrerer, at tænkning om vibrationer som individuelle fononer kun er berettiget i grænsen for lange bølgelængder. På kortere længder, lidelse fører til øget spredning, og lydbølgerne mister sammenhæng. "Vi kalder disse excitations diffusioner, 'fordi de repræsenterer den usammenhængende diffusion af vibrationer, i modsætning til den rettede bevægelse af fononer, "forklarer forfatter professor Tatsuya Mori. Faktisk er ligningerne for lave frekvenser begynder at ligne dem for hydrodynamik, som beskriver væskers adfærd. Forskerne sammenlignede modellens forudsigelser med data hentet fra sodavandglas og viste, at de viste sig at være bedre tilpasset sammenlignet med tidligere accepterede ligninger.

"Vores forskning understøtter den opfattelse, at dette fænomen ikke er unikt for akustiske fononer, men repræsenterer snarere et generelt fænomen, der kan forekomme med andre former for excitationer inden for uordnede materialer, "medforfattere professor Alessio Zaccone, University of Cambridge og professor Matteo Baggioli, Instituto de Fisica Teorica UAM-CSIC siger. Fremtidigt arbejde kan indebære at udnytte virkningerne af uorden for at forbedre holdbarheden af ​​glas til smarte enheder. Værket er udgivet i Journal of Chemical Physics som "Phonon-polaritons fysik i amorfe materialer" (DOI:10.1063/5.0033371).