Il y a une avalanche structurelle qui attend à l'intérieur de cette boîte de Rice Krispies sur l'étagère du supermarché. Les chercheurs de Cornell sont maintenant plus près de comprendre comment ces structures se comportent et, dans certains cas, se comporter de façon inhabituelle.

Les chercheurs, dirigé par James Sethna, professeur de physique à la Faculté des arts et des sciences, ont pour la première fois rendu un modèle de bruit de crépitement en deux dimensions. Leur papier, "Mise à l'échelle inhabituelle pour les avalanches bidimensionnelles :traitement du facettage et de la mise à l'échelle dans la dimension critique inférieure, " a été publié le 30 octobre dans Examen physique de la recherche . L'auteur principal de l'article était Lorien X. Hayden, MME. '15, doctorat '19, et co-auteur était Archishman Raju, MME. '16, doctorat '18.

Le lait pénètre dans les Rice Krispies par un processus connu sous le nom d'« invasion de fluides, " qui est similaire à la méthode de l'industrie pétrolière consistant à pomper de l'eau sous pression dans du grès poreux pour expulser le pétrole. crackle and pop"-est un type de minuscule "avalanche" qui indique une explosion de lait envahissant les pores du riz soufflé. Chaque avalanche est essentiellement composée de versions à plus petite échelle d'elle-même, une proportionnalité façonnée par une distribution en « loi de puissance ». Le bruit de crépitement décrit également les tremblements de terre, aimants et de nombreux autres systèmes.

« Nous savons comment gérer la mise à l'échelle de la loi de puissance, " dit Sethna, l'auteur principal de l'article, "mais nous avons reconnu qu'il y a beaucoup de problèmes de physique intéressants où cette mise à l'échelle de la loi de puissance ne fonctionne pas. Mais cela semble toujours fractal dans le sens où lorsque vous agrandissez les choses, vous voyez quelque chose qui se ressemble."

Les chercheurs ont déjà modélisé le bruit de crépitement dans trois, quatre et cinq dimensions grâce à un processus appelé mise à l'échelle Widom - une façon de prendre en compte les anomalies des points critiques qui a été développée par Benjamin Widom, professeur émérite de chimie et de biologie chimique. Le point critique est le moment où un système ou une forme de matière passe à une nouvelle phase.

Ces moments sont souvent marqués par des comportements inhabituels, où les lois de puissance ne semblent pas s'appliquer.

« J'ai passé 20 ans à me demander comment analyser ce modèle très simple en deux dimensions, " dit Sethna. " Je peux le simuler, mais je ne pouvais pas faire la mise à l'échelle Widom. Je ne pouvais pas comprendre les choses qui ont remplacé la loi de puissance. Et ça m'a énervé. Alors j'ai commencé à regarder d'autres problèmes, Problèmes de 50 ans, et personne ne les avait fait, Soit."

La solution de Sethna était de se tourner vers le travail d'un autre cornélien révolutionnaire, le regretté physicien Kenneth G. Wilson, dont les travaux sur les champs quantiques avec un schéma mathématique appelé le groupe de renormalisation ont élargi les recherches de Widom et ont valu à Wilson le prix Nobel de physique en 1982.

"Ken Wilson s'intéressait à la compréhension du comportement des matériaux lorsqu'ils traversaient des points critiques, en changeant de comportement de manière qualitative, " a déclaré Sethna. " Nous avons trouvé comment faire la mise à l'échelle de Widom pour les systèmes pour lesquels la méthode de Widom ne fonctionne pas, en utilisant une analyse plus sophistiquée des prédictions du groupe de renormalisation de Ken Wilson."

En associant plusieurs brins de méthodes mathématiques développées par Cornell, les chercheurs ont résolu un problème vieux de plusieurs décennies avec une nouvelle approche théorique et des méthodes de simulation, faire un pas important vers une meilleure compréhension du comportement des avalanches et des bruits de crépitement à proximité des points critiques.

Les Rice Krispies n'auront peut-être jamais l'air, ou le son, le même encore.

"Nous avons été paralysés, Je pense, par le fait que nous n'avons pas vraiment compris, pour de nombreux cas, la nature exacte de la façon dont les transitions se produisent, " dit Sethna. " Et pour la première fois, nous avons vraiment réglé le problème. Au moins une grande partie."