Non, il n'y a pas de faute de frappe dans le titre! Ce sont bien des phoNons et non des phoTons dont il est question ici!

Les phonons sont au son, ce que les photons sont à la lumière! Par définition, le photon est la plus petite unité d'énergie que peut posséder un mode de vibration lumineuse, tandis que le phonon est la plus petite quantité d'énergie que peut posséder un mode de vibration cristalline (vibration des atomes dans un solide).

Dans un cristal (un type de solide), les atomes sont placés de manière très ordonnée. Ce sont les forces interatomiques qui leur confèrent leur arrangement spécifique. Ces forces jouent le même rôle que les ressorts dans un système "masses-ressorts". Par conséquent, si on déplace légèrement un atome de sa position initiale et qu'on le relâche, il se mettra à osciller, comme un pendule. Étant donné que cet atome est relié aux autres par les forces électrostatiques qui agissent entre eux, les autres atomes du cristal se mettront eux aussi à vibrer, d'où le nom vibration cristalline! Il y aura alors propagation d'une onde de déformation dans le solide.

L'étude des différents modes de propagation de ces ondes est un sujet complexe qui fait partie de la "physique de l'état solide". Certains de ces modes sont directement reliés à la propagation du son dans un solide.

Au fait, comment le son se propage-t-il? Prenons l'exemple de la parole. Lorsque l'on prononce des mots, on modifie le milieu environnant en faisant varier la pression de l'air. Il y a alors création de plusieurs zones de compression et de dilatation qui se déplacent d'une partie de l'air à une autre, un peu comme le fait une vague sur l'eau. Cependant, le son ne voyage pas seulement dans l'air! Les adeptes de nage synchronisée vous diront qu'ils entendent très bien la musique sous l'eau! On remarque donc que le son peut se propager dans les gaz et les liquides, mais il peut tout aussi bien le faire dans les solides!

En effet, le son se déplace dans un solide de la même façon qu'il se déplace dans l'air : au moyen d'une onde de compression-dilatation. Au niveau macroscopique, cette onde d'oscillation forme un mouvement longitudinal, en d'autres mots, les atomes ou molécules qui composent le solide se déplacent parallèlement à la propagation de l'onde.

Tout comme pour le mouvement oscillant du pendule ou du champ électrique d'une onde lumineuse, la théorie quantique nous enseigne que l'énergie d'un mode de vibration cristalline est "quantifiée". Pour une vibration de fréquence n, l'énergie emmagasinée dans la vibration est symbolisée par la formule suivante:

où h est la constante de Planck (6,6260755 x 10^-34 J.s) et n, la fréquence de vibration. Comme n est un nombre entier naturel (0, 1, 2, 3, ...) et que l'énergie minimale est E = ½ hn, on remarque que l'énergie d'une vibration ne peut augmenter que par "sauts" de DE = hn. Cette petite quantité d'énergie représente UN phonon! Le nombre n est donc le nombre de phonons que contient la vibration dans le cristal.

Lorsque des ondes sonores se propagent dans un solide (ou dans un autre milieu), plus le nombre de phonons est grand, plus l'énergie de la vibration sonore est grande et, par conséquent, plus l'intensité du son est élevée. Toutefois, le nombre de phonons n'affecte en rien la fréquence du son! Par exemple, la note "ré" restera "ré" quelle que soit la quantité de phonons! Par contre, un nombre élevé de phonons produira un "ré" puissant, tandis qu'un faible nombre de photons provoquera un "ré" plutôt sourd. On retrouve le même principe avec les photons! Leur nombre ne modifie pas la région du spectre dans laquelle un rayon lumineux se trouve, il n'affecte que son intensité.

En plus d'avoir un lien direct avec le son, les phonons sont aussi la cause de toute une gamme de phénomènes physiques : de la résistance électrique, en passant par la supraconductivité des métaux!

Marie-Ève Gosselin, en collaboration avec René Côté j