Etats tunnel dans les quasicristaux et dans les cristaux de grandes mailles
Résumé
Amorphous materials possess specific low-energy excitations which are not found in simple crystals. Hence they show peculiar and, most remarkably, nearly universal low-temperature properties. In the phenomenological tunneling state model, these excitations arise from a tunneling effect of groups of atoms between nearly degenerate configurations. In order to improve our understanding of the microscopic nature of these tunneling states and their relation with structural disorder, we have studied various materials with an intermediate degree of order between crystalline and amorphous matter. Thus, using the propagation of acoustic waves, we have measured the acoustic properties, sound velocity and attenuation, in several quasicrystals and crystals with large unit cells between 15mK and 40K. A first experiment in a single-grain quasicrystal i-AlCuFe with a very high structural quality revealed the existence of tunneling states with a density of states similar to that of amorphous solids. Besides, measurements in the approximant phase R-AlLiCu and in two imperfect quasicrystals i-AlLiCu, one of them after annealing to improve its structural quality, showed that the density of states of the tunneling states increases with the quality of the quasicrystalline order. Therefore, tunneling states are not related to structural defects such as phasons but are intrinsic to quasicrystals. This is confirmed by the observation of a strong anisotropy of the tunneling state-phonons coupling in a two-dimension decagonal quasicrystal d-AlNiCo. We have also studied materials with a stronger long-range order, i.e. crystals with large unit cells. Single crystals of olivine and cordierite (28 and 116 atoms per cell respectively) showed tunneling states with a small density of states which seems to increase with the size of the unit cell.
Les matériaux amorphes présentent des excitations de basses énergies d'origine élastique qui sont absentes des cristaux simples et qui leur confèrent à basse température (T<1K) des propriétés physiques particulières et quasi-universelles. Dans le modèle phénoménologique des états tunnel, ces excitations résultent du passage par effet tunnel de groupes d'atomes entre plusieurs configurations équivalentes. Afin de mieux comprendre la nature microscopique de ces états tunnel et leur lien avec le désordre structural, nous nous sommes intéressés à des matériaux présentant un ordre intermédiaire, entre amorphe et cristallin. Nous avons ainsi mesuré par une méthode propagative les propriétés acoustiques, vitesse et atténuation ultrasonores, de différents quasicristaux et cristaux de grandes mailles entre 15mK et 40K. Une première expérience dans un quasicristal mono-grain i-AlCuFe de très bonne qualité structurale a montré l'existence d'états tunnel avec une densité d'états similaire à celle des amorphes. De plus, les mesures dans un approximant R-AlLiCu, et dans deux quasicristaux i-AlLiCu imparfaits, dont l'un a été recuit pour améliorer sa qualité structurale, ont montré que la densité d'états des états tunnel augmentait avec la qualité de l'ordre quasicristallin. Il apparaît donc que les états tunnel ne sont pas liés à des défauts de structure tels que les phasons mais qu'ils sont intrinsèques à l'ordre quasicristallin. Ceci est confirmé par l'observation d'une anisotropie du couplage phonons-états tunnel dans un quasicristal bidimensionnel décagonal d-AlNiCo. Nous avons aussi étudié des matériaux avec un ordre encore plus prononcé : des monocristaux d'olivine et de cordiérite possédant une maille cristalline de grande dimension (respectivement 28 et 116 atomes par maille). Nous avons montré que des états tunnel existaient déjà dans ce type de matériaux, avec une densité d'états plus faible, mais qui augmente avec la taille de la maille.
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