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PHONONS

Instabilités liées aux phonons

Instabilités structurales

Modes mous - crédits : Encyclopædia Universalis France

Modes mous

De nombreux composés métalliques ou ioniques présentent des transitions structurales ; en général, il s'agit d'un abaissement de la symétrie cristalline en dessous d'une température critique Tc. Il peut provenir soit d'un déplacement d'atomes à l'intérieur de la maille élémentaire (cas des perovskites Ba TiO3, Sr TiO3, etc.), soit d'une déformation élastique de la maille qui affecte la géométrie de celle-ci (cas de Nb3Sn, de TmVO4), soit d'une modulation sinusoïdale du paramètre de la maille (métaux organiques quasiunidimensionnels, NbSe2), soit d'une transition ordre-désordre quand certains groupements atomiques possèdent deux positions d'équilibre (phosphate KH2PO4, NH4Br, etc.). Toutes ces transitions sont accompagnées d'une diminution des fréquences de vibration de certains modes qui peuvent même s'annuler à Tc si la transition est du deuxième ordre. L'origine de ces instabilités, ou modes mous, est diverse ; dans les métaux, elle est liée à l'écrantage des forces ions-ions par les électrons de conduction : cet effet est particulièrement prononcé dans les métaux de basse dimensionnalité et pour des vecteurs d'ondes k qui joignent des régions à grande densité d'états de la surface de Fermi ; dans les cristaux ioniques, elle est liée à la compensation entre forces répulsives à courte portée et forces attractives à longue portée, induites par la polarisation diélectrique : le degré de compensation peut dépendre de la température par l'intermédiaire d'effets anharmoniques ; l'effet Jahn-Teller coopératif est une autre possibilité : le changement de symétrie lève la dégénérescence de certains niveaux électroniques et abaisse l'énergie du système. Toutes ces transitions de phase sont très étudiées car elles sont fondamentales pour la compréhension de phénomènes aussi divers que la ferro-électricité, la transition métal-isolant, l'optimisation des propriétés supraconductrices...

Fusion

Le rôle des phonons dans le phénomène de fusion est attesté par l'étroite corrélation qu'il y a entre les températures de fusion Tf et l'amplitude des vibrations atomiques. Qualitativement, on constate qu'un solide fond quand le carré moyen des amplitudes de vibration dépasse une fraction empirique de la distance interatomique (critère de Lindemann). Il existe de même des corrélations entre les valeurs de Tf et le coefficient de dilatation thermique. La transition solide-liquide reste cependant mal comprise à ce jour, du fait de notre mauvaise connaissance de l'état liquide. On peut montrer, cependant, qu'il n'existe plus de phonons transverses dans un solide au-dessus d'une température critique, si on admet que la force qui agit sur un atome résulte d'une moyenne thermodynamique sur l'ensemble des configurations atomiques. Cette instabilité annonce peut-être l'état liquide, qui est précisément caractérisé par l'absence de modes acoustiques transverses.

— Jean-Paul BURGER

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Chaînes atomique et moléculaire : dispersion - crédits : Encyclopædia Universalis France

Chaînes atomique et moléculaire : dispersion

Interactions entre phonons et d'autres particules - crédits : Encyclopædia Universalis France

Interactions entre phonons et d'autres particules

Modes mous - crédits : Encyclopædia Universalis France

Modes mous

Autres références

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  • BOSONS ET FERMIONS

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