Effets d'interférence d'origine anharmonique sur la loi de diffusion des phonons : Un exemple le Zirconium cubique centré
par Olivier Dubos
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Robert Farhi.
Soutenue en 1996
à Amiens .
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Résumé
La loi de diffusion cohérente inélastique de la phase haute température de structure cubique centrée (c. C), des métaux des groupes 3 et 4 du tableau périodique des éléments se distingue fortement de ce que l'on connaît habituellement dans d'autres solides. Le zirconium cubique centré en est un exemple. Nous observons pour la branche transverse de basses énergies et fortement amortie T1A [2 1 1] de fortes différences d'intensité et de formes de raie en des positions différentes mais cependant équivalentes dans l'espace réciproque. Ni les différences entre intensité, ni les différentes formes de raie ne peuvent être expliquées à l'aide de la seule loi de diffusion à un phonon. Le caractère fortement amorti de ces phonons transverses T1A [2 1 1] est la signature évidente d'un potentiel anharmonique dans cet élément, en particulier le long de la direction [2 1 1]. L'anharmonicite de ce potentiel est à l'origine d'une brisure apparente de la symétrie pour la loi de diffusion inélastique mesurée dans le plan de diffusion (0 1 1) pour un transfert d'énergie égal à 1 THz. Les influences de l'anharmonicite sur la loi de diffusion des phonons sont doubles. Elle conduit tout d'abord à une modification de la loi de diffusion usuelle (harmonique) à un phonon. Les fréquences des phonons se décalent par rapport à leurs fréquences harmoniques, d'un déphasage delta. Leurs durées de vie deviennent finies et proportionnelles à un amortissement gamma. Delta et gamma dépendant tous deux de la fréquence. Deuxièmement, l'anharmonicite conduit à l'apparition de phénomènes d'interférence entre les lois de diffusion à un phonon et les lois de diffusion multi-phonons. Au premier ordre en perturbation, les phénomènes d'interférence avec la loi de diffusion à deux-phonons conduisent à une modification des intensités et des formes de raie de la loi de diffusion à un phonon. Leurs dépendances en fonction du vecteur de diffusion Q, de la fréquence et du vecteur d'onde q du phonon dont la fréquence est à mesurer sont fortes et permettent d'expliquer qualitativement les effets expérimentaux observés
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Titre traduit
Interference effects on phonon scattering law : An example, bcc Zirconium
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Résumé
Coherent inelastic neutron scattering on single crystals of the high temperature bcc phase of Group 3 and Group 4 metals differs considerably from what is know of other monoatomic solids. Bcc-Zr may serve as an example. Strong changes in phonon intensities and line shapes are observed for the low energy and strongly damped T1 [2 1 1] phonon branch, measured at different but equivalent positions in reciprocal space. Neither the observed change in intensity nor the modified line shape can be explained by the usual one-phonon scattering law. The strong damping is obviously a signature of anharmonic interactions in this element. The anharmonic potential in the [2 1 1] direction causes an apparent symmetry breaking of diffuse inelastic scattering at 1 THz in bcc-Zr. The effects of anharmonicity on the phonon scattering law are twofold. First there is nothing else than a modification of the usual one-phonon scattering law. The phonon frequencies are shifted in respect to the harmonic frequencies by a frequency dependent shift and the phonon lifetimes become finite and invers proportional to a frequency dependent damping. Second, anharmonicity leads in first order perturbation to interference effects between one- and two- phonon processes. These interferences can alter the intensity and line shape of the phonon modes. This alteration depends strongly on the frequency and the scattering vector Q
