Numéro
J. Phys. I France
Volume 2, Numéro 7, July 1992
Page(s) 1461 - 1480
DOI https://doi.org/10.1051/jp1:1992222
DOI: 10.1051/jp1:1992222
J. Phys. I France 2 (1992) 1461-1480

Origin of the incommensurate phase of quartz: I. Inelastic neutron scattering study of the high temperature $\beta$ phase of quartz

G. Dolino1, B. Berge1, M. Vallade1 and F. Moussa2

1  Laboratoire de Spectrométrie Physique URA 08, associé au CNRS, Université Joseph Fourier (Grenoble I), BP 87, 38402 Saint-Martin-d'Hères Cedex, France
2  Laboratoire Léon Brillouin (CEA-CNRS), CEN Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France


(Received 25 November 1991, accepted 11 March 1992)

Abstract
The origin of the incommensurate phase of quartz is attributed to a gradient interaction between the optical soft mode of the $\alpha$- $\beta$ transition of quartz and a transverse acoustic mode. To test this model high resolution inelastic neutron scattering studies of the lattice dynamics of quartz have been performed. For the first time, a resolved zone center soft mode has been observed in the $\beta$ phase of quartz at 1 THz at 1 250 K, confirming the displacive character of this transition. Along $[\xi\,0\,0]$ a strong interaction has been observed between this soft mode and the acoustic branch with uxy shear strain. The softening of the two mixed branches produced by this interaction has been followed by decreasing temperature. Near the transition a dip appears in the lower frequency branch, which goes continuously to 0 near $\xi=0.035$ at the incommensurate phase transition. Due to a large damping, the soft branch is overdamped near the transition leading to a quasielastic peak. Along [ $\xi\,\xi\,0$] where the soft mode is coupled with the longitudinal acoustic mode, no dip is observed in the lower frequency mode. These results are in good agreement with the predictions of the gradient interaction model discussed in the following paper.

Résumé
L'existence de la phase incommensurable du quartz est attribuée à une interaction entre le gradient du mode mou optique de la transition $\alpha$- $\beta$ et un mode acoustique transverse. Pour vérifier ce modèle, des mesures de diffusion inélastique des neutrons, de haute résolution, ont été faites. Un mode mou résolu en centre de zone a, pour la première fois, été observé vers 1 THz à 1 250 K, dans la phase $\beta$ du quartz, confirmant le caractère displacif de cette transition. Le long de [ $\xi~0~0$] , une forte interaction est observée entre ce mode mou et la branche acoustique ayant une déformation de cisaillement uxy. L'amollissement des deux branches mixtes, résultant de cette interaction, a été suivi en fonction de la température. Près de la transition, un minimum apparaît sur la branche basse fréquence, qui décroît continuement jusqu'à 0 pour $\xi=0,035$ à la transition incommensurable. En raison d'un amortissement important, la branche molle est suramortie près de la transition, ce qui produit un pic quasiélastique. Le long de $[\xi~\xi~0]$, où le mode mou est couplé avec le mode acoustique longitudinal, aucun minimum n'est observé. Ces résultats sont en bon accord avec les prédictions du modèle de couplage avec un gradient, dèveloppé dans l'article suivant.



© Les Editions de Physique 1992

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