La première preuve expérimentale pour valider une loi universelle récemment publiée qui donne un aperçu des états énergétiques complexes des liquides a été trouvée à l'aide d'une technique nucléaire avancée à l'ANSTO.

Le travail vient d'être publié dans le Journal of Physical Chemistry Letters comme choix de l'éditeur et présenté sur la couverture de la revue.

L'équation de la densité vibrationnelle des états formulée par Alessio Zaccone et Matteo Bagglioli a été publiée dans un article de PNAS en 2021, apportant une réponse à une question insaisissable depuis au moins un siècle.

L'élégante théorie mathématique a résolu le problème de l'obtention de la distribution de ces états d'énergie complexes pour les liquides.

"L'une des grandeurs les plus importantes de la physique de la matière est la distribution des fréquences ou énergies vibratoires des ondes qui se propagent dans la matière. Elle est particulièrement importante car elle est le point de départ pour calculer et comprendre certaines propriétés fondamentales de la matière, telles que la chaleur spécifique et la conductivité thermique, et l'interaction lumière-matière ", a déclaré le professeur Zaccone sur le site Web de l'Université de Milan.

"Le gros problème avec les liquides est qu'en plus des ondes acoustiques, il existe d'autres types d'excitations vibrationnelles liées aux basses énergies du mouvement désordonné des atomes et des molécules - des excitations qui sont presque absentes dans les solides. Ces excitations sont généralement de courte durée. et sont liés au chaos dynamique des mouvements moléculaires mais sont néanmoins très nombreux et importants, surtout aux basses énergies. Mathématiquement, ces excitations, appelées "modes normaux instantanés" ou INM dans la littérature spécialisée, sont très difficiles à traiter car elles correspondent aux états d'énergie décrits par des nombres imaginaires."

Le spectromètre à neutrons à temps de vol Pelican du Centre de diffusion des neutrons de l'ANSTO a été utilisé pour mesurer les densités vibrationnelles d'états pour plusieurs systèmes liquides, notamment l'eau, le métal liquide et les liquides polymères. L'instrument Pelican a l'extrême sensibilité pour mesurer les vibrations de rotation et de translation sur de courts intervalles de temps et à de faibles énergies.

Les expériences à l'ANSTO ont confirmé la relation linéaire de la densité vibrationnelle des états avec la fréquence aux basses énergies comme prédit par Alessio Zaccone et Matteo Bagglioli, comme le montre la figure ci-dessous.

Avec le verrouillage COVID, pas d'accessibilité aux instruments, la petite équipe qui comprenait l'Université de Wollongong Ph.D. Le candidat Caleb Stamper, le Dr Cortie et le Dr Yu ont décidé de se concentrer sur la réanalyse des données expérimentales passées dans une nouvelle perspective, pour valider la nouvelle loi, inspirée par les travaux théoriques d'Alessio Zaccone et Matteo Bagglioli.

"L'exercice permet non seulement d'obtenir un si bon résultat, mais fournit également une bonne introduction à la spectroscopie neutronique à Caleb, qui a fait un excellent travail", a déclaré le Dr Yu en tant que superviseur ANSTO de Caleb et auteur correspondant de l'article.

Ces travaux les aideraient également à aborder les questions relatives aux transitions de phase dans les liquides superioniques dans leurs travaux sur les matériaux thermoélectriques.

"Des défis majeurs surviennent parce que les liquides ne sont pas mécaniquement stables, car les atomes d'un liquide se diffusent et le liquide dans son ensemble s'écoule", a expliqué le Dr Cortie.

La loi universelle est basée sur un cadre théorique, connu sous le nom de modes normaux instantanés, comme décrit par le professeur Zaccone ci-dessus, qui prescrit un ensemble de forces, de fréquences et de vitesses instantanées en tant que quantités.

Une complication dans la dérivation d'une théorie pour prédire la densité vibrationnelle des états dans les liquides est survenue en raison de la présence d'une petite fraction de "modes imaginaires".

"Les modes imaginaires sont importants car ils représentent le fait qu'un liquide n'est pas stable. Les atomes d'un liquide interagissent fortement les uns avec les autres tout le temps, mais pas de la même manière qu'un solide. La relation n'est pas "harmonique", ce qui signifie que les atomes ne retrouveront pas la même configuration après une interaction. Les atomes continueront à diffuser rapidement et à glisser les uns sur les autres », a déclaré Stamper.

"Les modes imaginaires reflètent la courbure négative sur la surface d'énergie potentielle d'un liquide. C'est un paysage énergétique très complexe mais si vous pensez à l'analogie d'un surfeur sur une vague océanique. Les atomes dans le liquide suivent les courbes de la vague lui-même (voir la couverture du journal). Mais les atomes peuvent être en position sur la crête, sous la planche de surf ou dans le creux, toujours en mouvement », a déclaré le Dr Yu.

"La loi jouera, pour les liquides, le même rôle central que la loi Debye joue pour les solides. Elle servira de base à tout le domaine de recherche impliquant des liquides et au-delà." + Explorer plus loin

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