Propagation et atténuation du son dans la silice : étude par Spectroscopie Brillouin et acoustique picoseconde

par Simon Ayrinhac

Thèse de doctorat en Milieux denses et matériaux

Sous la direction de Marie Foret et de Benoît Ruffle.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .

mots clés

• Silice
• Atténuation du son
• Spectroscopie Brillouin
• Acoustique picoseconde
• Anomalie tétraédrique
• Anharmonicité
• Relaxations activées thermiquement
• Systèmes à deux niveaux
• Cellule à enclumes de diamant
• Hautes pressions
• Polyamorphisme
• Silice
• Acoustique
• Spectroscopie

Résumé

Nous étudions la propagation et l'atténuation des phonons acoustiques dans la silice avec deux techniques, la diffusion Brillouin de la lumière et une technique acoustique picoseconde. L'étude Brillouin en fonction de la température (4 K-1300 K) combinée à une analyse des données de la littérature sur une large gamme de fréquence, montre que la friction interne (à 35 GHz) résulte de deux mécanismes principaux : l'interaction du son avec d'une part des défauts relaxants activés thermiquement et avec d'autre part les modes du bain thermique (anharmonicité). Une estimation quantitative du poids de chacun d'eux est proposée. Notre étude permet d'expliquer de manière quantitative le minimum observé à 50 K dans la vitesse et de déduire la vitesse non-relaxée. L'augmentation de cette dernière avec la température traduit le durcissement structural anormal de la silice. Une étude Brillouin en fonction de la pression (0-6 GPa) en cellule à enclumes de diamant révèle l'existence d'un pic d'atténuation intense en coïncidence avec le minimum observé dans la vitesse à 2 GPa. Nous montrons que ce dernier résulte principalement d'une modification structurale tandis que le pic d'atténuation semble associé aux relaxations activées thermiquement. Enfin, nous mesurons l'atténuation hypersonique à 250 GHz dans la silice pour la première fois avec une nouvelle technique acoustique utilisant des impulsions laser picoseconde. Nous montrons que dans cette gamme de fréquence le frottement interne est uniquement dû à l'anharmonicité. Cette technique ouvre la perspective de pouvoir observer pour la première fois le régime de forte atténuation des ondes acoustiques attendu dans la gamme sub-THz

Titre traduit

Sound propagation and attenuation in silica : study by Brillouin spectroscopy and picosecond acoustics

Résumé

We study propagation and attenuation of the acoustics phonons in silica with two technics, the Brillouin spectroscopy of light and an acoustical picosecond technology. The Brillouin study in function of the temperature (4 K-1300 K) combined with an analysis of the data of literature on a broad range of frequency, show internal friction (at 35 GHz) results from two main mechanisms: the interaction of sound with relaxing defects thermally activated and on with modes of the thermal bath (anharmonicity). A quantitative estimation of the weight of each of them is offered. Our study allows to explain in a quantitative way the minimum noticed at 50 K in the velocity and to deduct the non-relaxed velocity. The increase of this last with the temperature reveals abnormal structural hardening of silica. A Brillouin study in function of pressure (0-6 GPa) in diamond anvils cell reveals the existence of an intense attenuation peak in coincidence with the minimum noticed in the velocity in 2 GPa. We show that this last results in most cases from a structural modification while the peak of attenuation seems linked to thermally activated relaxations. Finally, we measure hypersonic attenuation in 250 GHz in silica for the first time with a new acoustic technology using picoseconds impulsions laser. We show that in this range of frequency internal friction is only owed to the anharmonicity. This technology opens perspective to observe for the first time the regime of strong attenuation of the acoustical waves expected in the range Sub-THz