Physique du solide

Objectif

L’objectif de ce cours est d’introduire quelques principes essentiels de la physique de la matière condensée. Dans cet enseignement nous attacherons une grande importance à la définition des concepts de base et aux ordres de grandeur en jeu. Nous discuterons notamment l’origine des propriétés importantes des matériaux et aborderons quelques aspects contemporains de la nanophysique dont les applications se font sentir dans tous les domaines de la science et des technologies actuelles (électronique, optique, matériaux).

Programme

• Chapitre I : Introduction
  Les différents états de la matière – Liaison chimique – Rappels de physique atomique et moléculaire.
• Chapitre II : Structure du cristal parfait
  Rappels de cristallographie – Espace et réseau réciproques – Détermination expérimentale des structures cristallines.
• Chapitre III : Les électrons dans le solide
  Du problème à N électrons au cas mono-électronique – États quantiques dans un milieu périodique – modèle des liaisons fortes et des électrons presque libres – métaux et isolants.
• Chapitre IV : Vibration des atomes
  Vibrations des noyaux atomiques – Phonons – Propriétés thermiques des solides.
• Chapitre V : Transport électronique
  Conductibilité des métaux – les semi-conducteurs – le transport balistique.
• Chapitre VI : Magnétisme
  Diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme, modèle d’Heisenberg, transition de phase.
• Chapitre VII : Supraconductivité
  Introduction historique, les différents types de supraconducteurs, le « gap » supra, théorie phénoménologique, théorie BCS.
• Chapitre VIII : Interaction rayonnement-matière
  Propriétés optiques de l’infrarouge au domaine X – Spectroscopie d’électrons et de neutrons.
• Bibliographie
• Exposés des étudiants
• Abécédaire des physiciens

Pré-requis

Destiné à un auditoire d’ingénieurs, ce cours suppose des connaissances de base en électromagnétisme, mécanique quantique et physique statistique.

Informations pratiques

Le cours débute par une introduction générale avec des rappels sur la liaison chimique, la physique atomique et moléculaire, le gaz d’électron et quelques notions de cristallographie qui serviront de base pour la suite. Le cœur du cours est basé sur la physique des électrons et des vibrations (phonons) dans un solide à partir des fondements de la mécanique quantique. Ceci permet notamment de définir les deux grandes classes de matériaux, les métaux et les isolants, dont nous discutons quelques propriétés fondamentales : électronique, transport électrique, optique, thermique etc..

Enfin selon le temps et l’intérêt des étudiants des sujets tels que la supraconductivité, le magnétisme ou l’optique sont abordés.

L’enseignement est dispensé sous la forme d’une alternance de cours magistraux et de travaux dirigés dans un rapport 2 /3 et 1/3. Les travaux dirigés ont pour objectif d’illustrer le cours en traitant quelques problèmes classiques (molécule d’hydrogène, gaz d’électron dans une boîte, effet tunnel) mais aussi d’aborder quelques sujets plus contemporains (cristallographie et transition de phase de surface, corail quantique, boites quantiques, nanomagnétisme, forme d’équilibre des (nano)-cristaux…)

Dans le cadre de cet enseignement ces pages Web ont été développé comme support pédagogique. Cet outil favorise l’illustration des concepts de base et attise la curiosité scientifique des étudiants en les renvoyant vers des documents complémentaires. Le contrôle final du cours se présente sous forme d’un exposé scientifique par binôme sur des sujets suggérés par les enseignants ou sur proposition motivée des étudiants. Les exposés seront ensuite mis en ligne sur le site du cours .