Les ondes acoustiques THz se propagent-elles dans le verre ?
Les verres présentent des propriétés thermomécaniques atypiques, très différentes de celles des cristaux. Nombre de ces particularités sont intimement liées à l’existence du pic boson, excès d’états vibratoires dont l’origine reste débattue depuis des décennies. De nombreuses théories, comme celle du modèle du potentiel mou (SPM) ou des fluctuations des constantes élastiques prédisent un régime d’atténuation à hautes fréquences de type Rayleigh avec une variation avec la fréquence en f⁴ pour les phonons acoustiques, lié à la diffusion résonante sur les modes vibrationnels quasi-localisés (QLV) du pic boson. La région sub-térahertz (0,2-0,9 THz), correspondant au côté basse fréquence de ce pic, constitue une fenêtre spectrale cruciale, où le régime de type Rayleigh commence à dominer les autres sources d’atténuation, mais elle demeurait jusqu’à présent expérimentalement inaccessible. Avec une technique d’acoustique picoseconde combinée à des transducteurs particuliers. Des chercheurs de l’INSP ont pu mesurer simultanément des spectres d’atténuation α(f) et de vitesse de phase v(f) dans la silice dans cette fenêtre spectrale, comblant ainsi une lacune expérimentale majeure.
Le principe de l’expérience est de mesurer temporellement une onde acoustique après traversée d’une épaisseur contrôlée de couches minces de silice vitreuse (v-SiO₂). La génération et la détection de cette onde acoustique se font optiquement avec des impulsions laser femtoseconde via une technique pompe sonde. L’approche expérimentale combine deux techniques complémentaires. La première méthode utilise des super-réseaux AlAs/GaAs, pour détecter des composantes spectrales spécifiques (150-600 GHz), avec une sensibilité élevée, et à une température de 15 K. La seconde, à température ambiante, utilise un puits quantique InGaN/GaN, permettant de générer des pulses acoustiques présentant une large bande spectrale, jusqu’à 1.5 THz.
Les résultats quantitatifs confirment expérimentalement la loi d’atténuation quartique prédite théoriquement avec un préfacteur qui présente une indépendance remarquable vis-à-vis de la température dans la gamme 15-300 K, caractéristique d’un processus athermique. Cette valeur expérimentale présente un accord satisfaisant avec la prédiction du modèle SPM. L’analyse de la phase du champ acoustique révèle une dispersion négative significative, caractérisée par une diminution de la vitesse de phase au-dessus de 0,5 THz, en accord avec les prédictions théoriques.
L’étude démontre également la séparation des mécanismes d’atténuation. Le terme athermique en f⁴, associé au pic boson et aux QLV, s’ajoute aux contributions thermiques connues : les processus de relaxation thermiquement activée (TAR) dominants aux basses fréquences et les interactions anharmoniques avec le bain de phonons thermiques. Cette décomposition permet d’identifier clairement la contribution spécifique des anomalies vibrationnelles des verres à l’atténuation acoustique.
Ces approches expérimentales pourraient être étendues à d’autres verres et matériaux amorphes pour tester l’universalité du phénomène. Il serait aussi intéressant d’explorer le rôle des modes transverses, qui dominent la densité d’états vibrationnelle.
Référence
« Quartic Scaling of Sound Attenuation with Frequency in Vitreous Silica »
Peng-Jui Wang, Agnès Huynh, Jinn-Kong Sheu, Xavier Lafosse, Aristide Lemaître, Benoit Rufflé, René Vacher, Bernard Perrin, Chi-Kuang Sun, Marie Foret
Physical Review Letters, 134, 196101 (2025)
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