SURFACE PHÉNOMÈNES DE
Vibrations, ondes de surface
La présence d'une surface introduit des discontinuités dans de nombreuses propriétés mécaniques, électriques ou magnétiques de systèmes multiphasés. Les ondes qui se propagent dans ces derniers sont en général très sensibles à ces discontinuités. Elles peuvent donc être utilisées pour étudier les propriétés des interfaces.
Ondes à la surface d'un liquide
Les ondes de surface des liquides ont été étudiées en 1871 par sir William Thomson, lord Kelvin. L'onde se propage parallèlement à la surface qui oscille transversalement. Cette dernière est rappelée vers sa position d'équilibre plane par des forces capillaires et gravitationnelles (des ondes similaires existent dans les milieux élastiques, les ondes de Rayleigh). La relation de dispersion qui relie la pulsation ω de l'onde à son vecteur d'onde k s'écrit :
À grande longueur d'onde (k petit), le terme gravitationnel domine ; à petite longueur d'onde (k grand), le terme capillaire domine ; ils ont le même ordre de grandeur si la longueur d'onde 2π/k est égale à la longueur capillaire λ = γ/ρg, soit pour des fréquences de l'ordre de 100 Hz. Expérimentalement, on peut, en utilisant la diffusion inélastique de la lumière par la surface, mesurer la relation de dispersion des ondes capillaires thermiquement excitées. On a ainsi une mesure non perturbatrice de la tension de surface γ.
Le mouvement de la surface entraîne le liquide sur une épaisseur de l'ordre de k-1. La relation de dispersion précédente n'est donc applicable que si l'épaisseur du liquide h vérifie la relation kh > 1. Dans la limite opposée, il faut la modifier (approximation d'eau peu profonde). Dans le cas où le facteur gravitationnel domine le facteur capillaire, l'onde se propage alors à la vitesse constante gh. Si l'amplitude de l'onde n'est pas petite, dans un régime non linéaire, il peut y avoir propagation de solitons. Ces déformations localisées se propagent sans se déformer.
Vibrations dans les solides
En première approximation, on distingue trois types de phénomènes vibratoires, que ce soit en surface ou en volume : les vibrations mécaniques des atomes, les oscillations collectives d'électrons et les ondes magnétiques de spin. Les états d'énergie de ces trois oscillations sont quantifiés : si ω est la pulsation de l'oscillation, les quanta d'énergie ℏω sont respectivement des phonons (pour les vibrations mécaniques des atomes), des plasmons (pour les oscillations d'électrons collectives) ou des magnons (pour les ondes magnétiques de spin).
Les phonons
Les vibrations mécaniques de surface dans un milieu isotrope élastique sont de nature très semblable aux ondes capillaires des liquides et ont été étudiées, dès 1885, par lord Rayleigh.
Dans les solides cristallins, les phonons de surface donnent lieu à de nouvelles branches dans les courbes de dispersion ω(k) longitudinales et transverses, localisées dans les bandes interdites du matériau massique. L'amplitude quadratique moyenne des atomes de surface < us2 > est plus élevée que celle de volume < uv2 >. Des expériences de diffraction d'électrons lents ont permis d'évaluer le rapport < us2 >/< uv2 >. Ainsi, pour la face (100) du nickel, ce rapport vaut 2,1 à T ≃ 400 K (Tfusion = 1 726 K). On peut relier cette plus grande amplitude de vibration aux phénomènes de transition rugueuse et de préfusion de surface évoqués plus haut : l'ordre se perd plus rapidement en surface qu'en volume, quand la température croît.
Les plasmons
Les mouvements collectifs des électrons dans un métal ou plasmons correspondent, dans le[...]
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Écrit par
- Jean-François JOANNY : docteur ès sciences, chargé de recherche au C.N.R.S.
- Jean SUZANNE : docteur ès sciences, professeur de physique
Classification
Médias
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