Dynamique des matériaux amorphes

Une des thématiques poursuivie par le groupe est l’étude des matériaux amorphes aux plus basses températures. Ces matériaux, que l’on retrouve dans la vie de tous les jours du fait de nombre de leurs propriétés uniques, sont pourtant mal compris à l’échelle microscopique. Paradoxalement, même si les verres ressemblent aux liquides au sens où ils ne possèdent pas d’ordre à longue portée, ils sont rigides.

Team-out
Schéma d’une nano-poutre contenant des systèmes à deux niveaux (TLS), dont la dynamique est décrite par un potentiel en double-puits.

Les propriétés basses températures des verres sont particulièrement intrigantes. En-dessous de 1 Kelvin, le comportement thermique et mécanique des verres est très différent de celui des cristaux, et il implique l’existence d’un certain type d’excitation de basse énergie (EBE) qui n’est pas présent dans les cristaux. Il est connu que ces EBE ne sont généralement pas des impuretés, mais sont intrinsèques au verre car les mêmes caractéristiques basses températures sont observées également pour les spécimens ultra-purs.

Mais la vraie identité de ces EBE est une question de longue date encore ouverte aujourd’hui. Les candidats les plus discutés sont les systèmes à deux niveaux (TLS en anglais), qui peuvent "tunneler" entre deux états d’énergie quasi-équivalents (cf Fig. ci-dessus). Mais seulement dans certains matériaux de référence ont-ils pu être identifiés. De plus, La dissipation mécanique dans les amorphes est remarquablement universelle autour du Kelvin, variant uniquement sur environ un ordre de grandeur en facteur de qualité Q-1=3×10-4 malgré d’énormes variation de composition, concentration en impuretés et structure.

Résoudre ces puzzles est une tache ardue qui occupe les physiciens depuis des décennies. Nous adressons ces problèmes à l’aide d’un ensemble de techniques basses températures, depuis des techniques qui ont fait leur preuve (comme le "Double-Paddle Oscillator", une structure micro-mécanique sur laquelle est déposé un film amorphe) jusqu’à des approches radicalement nouvelles.

Les basses températures sont obtenues à l’aide de cryostats à dilution en combinaison avec la désaimantation adiabatique nucléaire. Les projets les plus excitants proposent de venir contrôler individuellement les TLS présent dans le matériau, de façon cohérente (au sens quantique). Pour ce faire, le matériau amorphe doit être constitutif d’un résonateur nano-mécanique opéré dans son état quantique fondamental, en-dessous de 1 mK (cf Fig. ci-dessus).

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