En 1972, les physiciens J. Michael Kosterlitz et David Thouless ont publié une théorie révolutionnaire sur la façon dont les changements de phase peuvent se produire dans les matériaux bidimensionnels. Les expériences ont rapidement montré que la théorie capturait correctement le processus d'un film d'hélium passant d'un fluide superfluide à un fluide normal, contribuer à ouvrir une nouvelle ère de recherche sur les matériaux ultra-minces, sans parler de gagner Kosterlitz, professeur à l'Université Brown, et Thouless partage le prix Nobel de physique 2016.

Mais la théorie de Kosterlitz-Thouless (K-T) visait à expliquer plus que la transition superfluide. La paire espérait également que cela pourrait expliquer comment un solide bidimensionnel pouvait se fondre dans un liquide, mais les expériences jusqu'à présent n'ont pas réussi à valider clairement la théorie dans ce cas. Maintenant, de nouvelles recherches menées par un autre groupe de physiciens de Brown pourraient aider à expliquer le décalage entre la théorie et l'expérience.

La recherche, Publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences , montre comment les impuretés – des atomes « en trop » dans la structure cristalline d'un matériau – peuvent perturber l'ordre d'un système et provoquer le début de la fusion avant que la théorie K-T ne le prédise. Les découvertes sont un pas vers une théorie physique plus complète de la fusion, disent les chercheurs.

"La transition solide-liquide est quelque chose que nous connaissons tous, pourtant c'est un échec profond de la physique moderne que nous ne comprenions toujours pas exactement comment cela se passe, " dit Xinsheng Ling, professeur de physique à Brown et auteur principal du nouvel article. "Ce que nous avons montré, c'est que les impuretés, qui ne sont pas incluses dans la théorie K-T mais se trouvent toujours dans les matériaux réels, jouent un rôle majeur dans le processus de fusion."

Bien que les détails restent un mystère majeur, les scientifiques ont une compréhension de base de la façon dont les solides fondent. Au fur et à mesure que la température augmente, les atomes du réseau cristallin d'un solide se mettent à trembler. Si le tremblement devient trop violent pour que le treillis tienne ensemble, le solide se fond dans un liquide. Mais comment exactement le processus de fusion commence et pourquoi il commence à certains endroits dans un solide au lieu d'autres ne sont pas connus.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé de minuscules particules de polystyrène en suspension dans de l'eau hautement désionisée. Les forces électriques entre les particules chargées les amènent à s'organiser en un réseau cristallin similaire à la façon dont les atomes sont disposés dans un matériau solide. En utilisant un faisceau laser pour déplacer des particules individuelles, les chercheurs peuvent voir comment les défauts du réseau affectent l'ordre du réseau.

Les défauts peuvent se présenter sous deux formes générales :postes vacants, où les particules manquent, et interstitiels, où il y a plus de particules qu'il ne devrait y en avoir. Cette nouvelle étude s'est notamment penchée sur l'effet des interstitiels, qu'aucune étude précédente n'avait étudiée.

La recherche a révélé que même si un interstitiel dans une région donnée faisait peu de différence dans le comportement du réseau, deux interstitiels ont fait une grande différence.

"Ce que nous avons découvert, c'est que deux défauts interstitiels brisent la symétrie de la structure d'une manière que les défauts seuls ne font pas, " a déclaré Ling. " Cette rupture de symétrie conduit à une fusion locale avant que K-T ne le prédise. "

C'est parce que la théorie K-T traite des défauts qui résultent des fluctuations thermiques, et non des défauts qui peuvent avoir déjà existé dans le réseau.

"Les vrais matériaux sont en désordre, " dit Ling. " Il y a toujours des impuretés. Mettre tout simplement, le système ne peut pas distinguer quelles sont les impuretés et quels sont les défauts créés par l'agitation thermique, ce qui conduit à fondre avant ce qui serait prédit."

La technique utilisée pour l'étude pourrait être utile ailleurs, disent les chercheurs. Par exemple, il pourrait être utile pour étudier la transition du verre dur à un liquide visqueux, un phénomène lié à la transition solide-liquide qui manque également d'explication complète.

"Nous pensons avoir accidentellement découvert une nouvelle façon de découvrir des mécanismes de rupture de symétrie dans la physique des matériaux, " A déclaré Ling. " La méthode elle-même peut finir par être la chose la plus importante à propos de cet article en plus des résultats. "