Energy dissipation in oxide glasses

par Tanguy Damart

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de David Rodney et de Anne Tanguy.

Soutenue le 28-09-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Barentin.

Le jury était composé de Tanguy Rouxel.

Les rapporteurs étaient Anaël Lemaître, Benoît Ruffle.

  • Titre traduit

    Dissipation d'énergie dans les verres d'oxydes


  • Résumé

    L'atténuation d'ondes à basse et haute fréquences dans les verres n'est pas encore bien comprise en grande partie car les phénomènes à l'origine de cette dissipation varient grandement en fonction de la fréquence. L’existence de structures complexes et organisation multi échelle dans les verres favorise l'apparition de temps de relaxation allant de la seconde à la femtoseconde et de corrélation prenant place de l’Angström à la centaine de nanomètre. A basse fréquence, une meilleur compréhension de ces phénomènes de dissipation serait bénéfique à de nombreux domaines. Par exemple, les multi-couches recouvrants les miroirs des interféromètres servant à détecter les ondes gravitationnelles sont réalisées à partir de verres d'oxyde (SiO2 et Ta2O5) qui sont une source majeur de dissipation. A haute fréquence, l'étude de la dissipation pose des questions théoriques sur le lien entre asymétrie locale et atténuation acoustique.Durant cette étude, nous avons réalisé une analyse approfondie de l'interaction entre ondes mécaniques et structure des verres en utilisant des techniques de simulations telle que la dynamique moléculaire. En partant de la synthèse de verres de SiO2 et Ta2O5, nous nous sommes appliqués à trouver l'origine structurelle de la dissipation aux différentes échelles de fréquence. A basse fréquence nous avons été capable de catégoriser les déplacements atomiques à l'origine de la dissipation en utilisant la théorie des états à deux niveaux. A haute fréquence, nous avons utilisé une technique de spectroscopie mécanique appuyé par un développement analytique pour montrer l'importance du désordre local dans l’existence de dissipation


  • Résumé

    The origin of sound attenuation at low and high frequency in glasses stays elusive mainly because of the complex temperature and frequency dependence of the phenomena at its root. Indeed, the presence of complex structures and multi-scale organizations in glasses induce the existence of relaxation time ranging from the second to the femto-second and of spatial correlation ranging from the Angström to a hundred nanometers. At low-frequency, a better understanding of the phenomena at the origin of dissipation would be beneficial to several applications. For example, the multi-layers coating the mirrors of gravitational waves detectors consists of a superposition of two oxide glasses: silicate (SiO2) and tantalum pentoxide (Ta2O5), are an important source of dissipation. At high frequency, the study of dissipation raises theoretical questions about the link between attenuation and dissipation as well as between loclt asymmetry and dissipation. In the present study, we conducted an analysis of the interaction between mechanical waves and the structure of two oxide glasses using simulation techniques such as non-equilibrium molecular dynamics. At high-frequencies, we implemented and used mechanical spectroscopy to measure dissipation numerically and performed in parallel an analytical development based on the projection of the atomic motion on the vibrational eigenmodes. At low-frequencies, we used molecular dynamics to gather sets of thermally activated events that we classed in three categories based on topologically distinct atomic motions and from which we predicted dissipation numerically using a refreshed TLS model


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