PHONONS
Les phonons, ou vibrations collectives d'un ensemble d'atomes en interactions, représentent un des aspects les plus importants de la physique des solides. Ils interviennent dans des propriétés aussi diverses que la propagation d'ondes sonores, la chaleur spécifique, la conductivité thermique et électrique, la supraconductivité, la ferro-électricité. On peut comprendre l'existence de telles vibrations à partir des interactions de chaque atome avec ses voisins : si on impose localement, à la surface par exemple, un mouvement perturbateur qui déplace un certain nombre d'atomes de leur position d'équilibre, ceux-ci agissent sur leurs voisins, et la perturbation locale de départ s'étend de proche en proche au solide tout entier sous forme d'un mouvement collectif. Dans l'approximation classique où l'on assimile le solide à un continuum élastique, on peut montrer que le mouvement le plus général est la superposition d'ondes progressives de la forme :
Nature des phonons
Modes de vibrations acoustiques et optiques
Chaînes atomique et moléculaire : dispersion
Encyclopædia Universalis France
Il est instructif d'analyser d'abord les modes de vibration de chaînes unidimensionnelles d'atomes. Nous allons considérer deux cas : d'une part, une chaîne d'atomes de masse M positionnés en xn = na ; d'autre part, une chaîne moléculaire avec des molécules M2 formées de deux atomes identiques positionnés en xn = na et na + d (avec d < a/2). On admettra, dans ce second cas, qu'il y a à la fois des forces intramoléculaires et intermoléculaires.
Chaque atome vibre autour de sa position d'équilibre dans le puits de potentiel créé par ses voisins : ce potentiel est parabolique pour les mouvements de faible amplitude, c'est-à-dire que les forces interatomiques sont assimilées à des ressorts de constante α1 (dans le premier cas), et α1 et α2 (dans le second cas). On dit que l'on est dans l'« approximation harmonique ». Si on cherche des solutions de la forme un(t ) ∼ ei(ωt−kna) (avec r = na), on peut montrer qu'elles peuvent être représentées par des courbes de dispersion ω(k) qui donnent les fréquences de vibration permises pour un vecteur d'onde k donné. Dans le premier cas, on obtient ainsi une seule courbe de dispersion, qui est linéaire (ω = vk) au voisinage de k = 0 ; cela justifie le nom de « branche acoustique » donné à cette courbe. Remarquons également qu'il existe une fréquence de vibration maximale pour k = ± π/a.
Pour le second cas, on obtient deux branches : une branche acoustique et une branche optique ; ω dépend peu de k pour cette dernière branche et sa valeur est, en première approximation, égale à la fréquence de vibration de la molécule M2 ; cette dernière valeur est un peu élargie par les couplages intermoléculaires. Signalons qu'une différence de masse entre les deux atomes de la molécule conduit également à un élargissement de la branche optique. La figure montre également les amplitudes[...]
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Écrit par
- Jean-Paul BURGER : professeur à l'université de Paris-XI, Orsay
Classification
Médias
Chaînes atomique et moléculaire : dispersion
Encyclopædia Universalis France
Interactions entre phonons et d'autres particules
Encyclopædia Universalis France
Modes mous
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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BOSONS ÉLÉMENTAIRES
- Écrit par Bernard PIRE
- 2 872 mots
Signalons pour terminer l’importance des bosons comme quasi-particules décrivant le comportement collectif des atomes d’un solide. Les phonons représentent les vibrations collectives d'un ensemble d'atomes en interactions, lorsqu’on passe d’une description classique à une description quantique... -
BOSONS ET FERMIONS
- Écrit par Bernard PIRE
- 1 709 mots
- 1 média
...particules élémentaires ou non, des quasi-particules essentielles pour la compréhension de divers systèmes physiques sont de type bosonique ; ainsi, les phonons qui quantifient des oscillations mécaniques dans les solides, ou les plasmons qui décrivent les oscillations collectives d’un gaz d’électrons... -
HYPERSONS
- Écrit par Pierre TOURNOIS
- 2 744 mots
- 3 médias
À côté de l'interaction phonon acoustique-phonon thermique responsable de l'atténuation des hypersons, de nombreux autres effets d'interactions peuvent exister : l'effet des dislocations, la diffraction par les défauts cristallins, les effets thermo-élastique, acousto-électrique dans les milieux... -
IMAGERIE TÉRAHERTZ
- Écrit par Bernard PIRE
- 1 427 mots
- 1 média
...ayant un fort moment dipolaire – les molécules d’eau, par exemple – ainsi qu’avec certains cristaux, par l’excitation de leurs vibrations collectives (ce qu’on appelle les phonons) et la libération de porteurs de charges libres dans le cas de métaux ou de semi-conducteurs. La capacité de l’onde à... - Afficher les 9 références
