Des scientifiques théoriques et expérimentaux se sont réunis pour observer les solides vibrer.

Les atomes ou les molécules constituent tout ce qui nous entoure. Dans de nombreux solides, comme le sel ordinaire ou le fer, ils sont soigneusement arrangés comme des structures répétées, appelés « réseaux cristallins ». Le comportement d'un solide à tout facteur extérieur, comme la force appliquée, est déterminé par le comportement collectif du réseau, pas des atomes ou des molécules individuels. De petites vibrations des constituants déterminent la réponse collective du réseau. Au lieu des constituants individuels, c'est cette réponse collective qui détermine divers phénomènes naturels, y compris comment la chaleur se transporte à travers les solides et comment les matériaux changent d'état entre les solides, liquides, et des gaz.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Indian Institute of Technology de Bombay (IIT Bombay) ont mis au point une méthode théorique pour prédire les variations de la structure du réseau en réponse à des perturbations externes. Cette étude, publié dans la revue Matériaux de calcul npj , a été financé en partie par l'IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Centre, le ministère des Ressources humaines et du Développement (aujourd'hui ministère de l'Éducation), Département de l'énergie atomique, et le Département des sciences et de la technologie, Gouvernement d'Inde.

Les scientifiques sondent les variations de la structure du réseau, ou sa dynamique, en créant d'abord une perturbation externe sur la structure, puis en observant comment la perturbation évolue avec le temps. La perturbation est souvent induite par de courts éclairs de lumière laser. "Si vous dérangez un solide par des éclairs de laser, ses atomes se mettent à vibrer, " dit le professeur Gopal Dixit, l'un des auteurs de l'étude.

La lumière des rayons X ou les électrons peuvent révéler des informations sur la position des atomes et des molécules dans le réseau. Les scientifiques bombardent le solide avec de multiples impulsions de rayons X ou d'électrons à des moments séparés de quelques femtosecondes, c'est-à-dire un millier de billionième de seconde. Ainsi, ils peuvent obtenir des images du solide à ces instances, qu'ils assemblent pour filmer les atomes en vibration. De telles expériences sont difficiles à concevoir, impliquant des instruments sophistiqués qui sont plus chers que les microscopes de laboratoire standard et disponibles dans quelques-uns, installations rares dans le monde. Ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que les scientifiques ont pu mener des expériences aussi avancées.

D'autre part, l'étude de l'arrangement moléculaire des solides non perturbés est plus facile. Depuis plus de cinq décennies, les scientifiques ont bombardé des solides comme le silicium avec des faisceaux de rayons X ou d'électrons et ont observé comment ce faisceau interagit avec son réseau. "La réponse du solide au faisceau laisse des empreintes spécifiques sur le faisceau sortant, révélant les vibrations atomiques dans le réseau, " dit le professeur Dipanshu Bansal, autre auteur de l'étude. Une technique mathématique innovante inventée par Joseph Fourier, appelé « analyse de Fourier, " les aide à étudier les petites structures du réseau à la fois dans l'espace et dans le temps.

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont effectué des calculs mathématiques et ont démontré que l'on pouvait utiliser une technique similaire pour étudier des solides soumis à un perturbation extérieure. Ils ont utilisé une version étendue de la méthode de Fourier ainsi que les lois de la physique quantique. En outre, ils ont utilisé l'idée fondamentale que le temps s'écoule dans une direction. Ceux-ci les ont amenés à calculer une quantité mathématique qui détermine comment la structure du réseau réagit à la perturbation externe.

En utilisant cette quantité mathématique, également appelée « fonction de réponse, " les chercheurs ont prédit comment les solides se comporteraient dans le temps, à quelques femtosecondes, et l'espace, à quelques fractions de nanomètre. Puis, ils ont calculé la fonction de réponse à partir d'images disponibles à partir d'expériences menées au cours de la dernière décennie avec des lasers. Cette quantité, les chercheurs de la présente étude ont démontré, correspond exactement à la fonction de réponse théorique. Leur calcul montre pour la première fois qu'il n'est pas nécessaire de réaliser des expériences sophistiquées pour étudier la dynamique des solides.

Il y a d'autres avantages. "Notre méthode proposée ne nécessite pas d'impulsions séparées de rayons X ou d'électrons séparées par des fractions de picosecondes pour étudier la dynamique. Au lieu de cela, une seule impulsion suffit, " affirme le professeur Dixit. Les calculs ne prennent que quelques jours sur des ordinateurs personnels, alors que les expériences peuvent prendre des jours à des mois.

L'étude a également réuni des théoriciens et des expérimentateurs. « Notre travail est une vraie réussite de collaboration, " dit le professeur Bansal, un scientifique expérimental. "Nous avions besoin d'un aperçu des conditions expérimentales exactes qui n'étaient pas expliquées par la théorie, et les physiciens théoriciens à la hauteur de la tâche, " ajoute le professeur Dixit, qui est théoricien. « Bien qu'il y ait des difficultés à mener des expériences, les calculs théoriques n'ont pas de limites, " admet le professeur Bansal, l'expérimentateur.

Les chercheurs affirment que leur méthode est applicable aux solides dans différents environnements comme dans un champ magnétique, sous pression extérieure, ou à haute température. "Ce n'est pas possible même par les expériences microscopiques les plus sophistiquées, " dit le professeur Bansal. Bien qu'il ne soit pas facile d'estimer la fonction de réponse à partir des données limitées disponibles dans les expériences, les progrès technologiques rapides facilitent la conduite des enquêtes. Les chercheurs prévoient également de mettre leur théorie à l'épreuve pour ces expériences.