Ett team av forskare under ledning av University of Tsukuba har skapat en ny teoretisk modell för att förstå spridningen av vibrationer genom oordnade material, såsom glas. De fann att när graden av störning ökade, ljudvågor reste mindre och mindre som ballistiska partiklar, och började istället diffundera osammanhängande. Detta arbete kan leda till nytt värme- och splitterbeständigt glas för smartphones och surfplattor.

Att förstå de möjliga vibrationslägena i ett material är viktigt för att kontrollera dess optiska, termisk, och mekaniska egenskaper. Utbredningen av vibrationer i form av ljud av en enda frekvens genom amorfa material kan ske på ett enhetligt sätt, som om det vore en partikel. Forskare vill kalla dessa kvasipartiklar "fononer". Dock, denna approximation kan gå sönder om materialet är för oordnat, vilket begränsar vår förmåga att förutsäga styrkan hos glas under en lång rad omständigheter.

Nu, ett team av forskare ledda av University of Tsukuba har utvecklat ett nytt teoretiskt ramverk som förklarar de observerade vibrationerna i glas med bättre överensstämmelse med experimentella data. De visar att att tänka på vibrationer som individuella fononer endast är motiverat i gränsen för långa våglängder. På kortare skalor, störning leder till ökad spridning och ljudvågorna tappar koherens. "Vi kallar dessa excitationer "diffusioner, eftersom de representerar den osammanhängande spridningen av vibrationer, i motsats till fononernas riktade rörelse, " förklarar författaren professor Tatsuya Mori. Faktum är att ekvationerna för låga frekvenser börjar se ut som de för hydrodynamik, som beskriver vätskors beteende. Forskarna jämförde modellens förutsägelser med data som erhållits från sodakalkglas och visade att de visade sig passa bättre jämfört med tidigare accepterade ekvationer.

"Vår forskning stöder uppfattningen att detta fenomen inte är unikt för akustiska fononer, utan snarare representerar ett allmänt fenomen som kan uppstå med andra typer av excitationer i oordnade material, "medförfattare professor Alessio Zaccone, University of Cambridge och professor Matteo Baggioli, Instituto de Fisica Teorica UAM-CSIC säga. Framtida arbete kan innebära att utnyttja effekterna av oordning för att förbättra hållbarheten hos glas för smarta enheter. Verket publiceras i Journal of Chemical Physics som "Physics of phonon-polaritons in amorphous materials" (DOI:10.1063/5.0033371).