Jonathan Fernando Gebbia defensa la seva tesis sobre l’estudi de les anomalies presents en els vidres a baixa temperatura en cristalls moleculars

Un dels problemes de la física més complexos i no resolts és el de la transició vítria, en el qual l'estat resultant, el vidre, manifesta propietats úniques i anòmales. A la transició es produeix un fenomen de congelació cinètica on un sistema de moltes partícules en un estat d'equilibri desordenat, però ergòdic, transforma a un estat de no equilibri, no ergòdic, amb propietats mecàniques similars a les d'un sòlid cristal·lí. El cas dels vidres estructurals representa el paradigma per excel·lència d'aquests sistemes. Aquest estat s'aconsegueix quan un líquid molecular o atòmic és sobrerrenfredat per sota de la seva temperatura de cristal·lització, on el refredament (o augment de pressió) produeix una divergència de la viscositat i dels temps característics de relaxació. No obstant això, aquests no són els únics sistemes que poden donar lloc a un estat vitri. De fet, qualsevol sistema desordenat amb una dinàmica interna pot ser, en principi, sobrerrenfredat fins a aconseguir un estat no ergòdic amb desordre ``congelat''. La fase resultant pot ser considerada un tipus de vidre, donat el seu caràcter no ergòdic. Aquests sistemes manifesten una sèrie de característiques anòmales en comparació amb les d'un sòlid cristal·lí. Aquestes anomalies, considerades fins al present com a empremtes característiques, i, per tant, universals dels vidres inclouen el famós pic bosònic present en la calor específica a baixes temperatures (i també en la densitat d'estats vibracional a baixes energies), una dependència lineal amb la temperatura per sota de 1-2 K en la calor específica, i una reducció dràstica en la conductivitat tèrmica respecte a l'estat homòleg cristal·lí per sota de 100 K. Malgrat els intents dels últims 50 anys per a trobar una explicació universal d'aquestes característiques anòmales dels vidres, els seus orígens fonamentals són encara un tema de debat.

En aquesta tesi ens hem focalitzat en l'estudi d'aquestes anomalies dels vidres moleculars formats a partir de fases translacionalment ordenades, però orientacionalment desordenades, on la dinàmica de reorientació molecular es veu ``congelada'' sota unes certes condicions, per exemple, un refredament ràpid. L'estat vitri resultant és, per tant, un vidre orientacional. Els sistemes orientacionalment desordenats presentats en aquest treball són, de fet, fases cristal·lines de molècules rígides, on les simetries de la xarxa imposen restriccions en les orientacions moleculars, produint un desordre estadístic i controlat en el sistema. Aquests casos s'han triat per la forta reducció en la complexitat del vidre resultant en comparació amb els vidres estructurals, a causa de l'existència d'un ordre transnacional. D'aquesta manera, es vol aprofundir en l'origen de les anomalies de baixa temperatura en la calor específica (i de baixa energia en la densitat d'estats vibracional) i la rellevància del desordre sobre aquestes magnituds.

Els materials triats per a aquest estudi són principalment sistemes moleculars aïllants de naturalesa diversa com: la família de halometans CBr_nCl_4-n amb n=0,1,2, dos derivats de l’adamantà, els compostos 2-adamantanona i 1-fluoro-adamantà, i tres sòlids de molècules planars, el tiofè (normal i deuterat), el paracloronitrobenzè i el pentacloronitrobenzè.

En tots aquests sistemes s'ha trobat un denominador comú: la presència d'excitacions òptiques de baixa energia on les molècules rígides exhibeixen moviments oscil·latoris de tipus roto-translacional acoblats a ones de tipus acústic. Aquest fenomen indueix un excés d'estats vibracionals que donen lloc a l'aparició del pic bosònic, independentment del caràcter ordenat o desordenat de la fase estudiada. A més, es discuteix la anharmonicitat d'aquestes modes de vibració i la seva influència en el pic bosònic i en l'anomalia present en la calor específica per sota de 1-2.