Utilisateur:OhPurée/Physique de la matière condensée
La physique de la matière condensée est le domaine de la physique qui traite des propriétés physiques macroscopiques et microscopiques de la matière, en particulier les phases solide et liquide qui résultent des forces électromagnétiques entre les atomes . Plus généralement, le sujet traite des phases « condensées » de la matière : systèmes de nombreux constituants avec de fortes interactions entre eux. Les phases condensées plus exotiques incluent la phase supraconductrice présentée par certains matériaux à basse température, les phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques des spins sur les réseaux cristallins d'atomes et le condensat de Bose-Einstein trouvé dans les systèmes atomiques ultrafroids . Les physiciens de la matière condensée cherchent à comprendre le comportement de ces phases par des expériences pour mesurer diverses propriétés des matériaux, et en appliquant les lois physiques de la mécanique quantique, de l'électromagnétisme, de la mécanique statistique et d'autres théories pour développer des modèles mathématiques.
La diversité des systèmes et des phénomènes disponibles pour l'étude fait de la physique de la matière condensée le domaine le plus actif de la physique contemporaine : un tiers de tous les physiciens américains s'identifient comme des physiciens de la matière condensée, [1] et la Division de la physique de la matière condensée est la plus grande division à la Société américaine de physique . [2] Le domaine chevauche la chimie, la science des matériaux, l' ingénierie et la nanotechnologie, et est étroitement lié à la physique atomique et à la biophysique . La physique théorique de la matière condensée partage des concepts et des méthodes importants avec celle de la physique des particules et de la physique nucléaire . [3]
Une variété de sujets en physique tels que la cristallographie, la métallurgie, l'élasticité, le magnétisme, etc., ont été traités comme des domaines distincts jusqu'aux années 1940, lorsqu'ils ont été regroupés sous le nom de physique du solide . Vers les années 1960, l'étude des propriétés physiques des liquides a été ajoutée à cette liste, formant la base de la spécialité plus complète de la physique de la matière condensée. [4] Les Bell Telephone Laboratories ont été l'un des premiers instituts à mener un programme de recherche en physique de la matière condensée. [4] Selon le directeur fondateur de l' Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide, le professeur de physique Manuel Cardona, c'est Albert Einstein qui a créé le domaine moderne de la physique de la matière condensée en commençant par son article fondateur de 1905 sur l' effet photoélectrique et la photoluminescence qui a ouvert les champs de la photoélectron . spectroscopie et spectroscopie de photoluminescence, et plus tard son article de 1907 sur la chaleur spécifique des solides qui introduit, pour la première fois, l'effet des vibrations du réseau sur les propriétés thermodynamiques des cristaux, en particulier la chaleur spécifique. Le directeur adjoint du Yale Quantum Institute, A. Douglas Stone, fait un cas prioritaire similaire pour Einstein dans son travail sur l'histoire synthétique de la mécanique quantique. [5]
Étymologie
modifierSelon le physicien Philip Warren Anderson, l'utilisation du terme «matière condensée» pour désigner un domaine d'étude a été inventée par lui et Volker Heine, lorsqu'ils ont changé le nom de leur groupe aux Cavendish Laboratories, Cambridge de la théorie de l'état solide à la théorie . of Condensed Matter en 1967, [6] car ils estimaient qu'il incluait mieux leur intérêt pour les liquides, la matière nucléaire, etc. [7] [8] Bien qu'Anderson et Heine aient contribué à populariser le nom de "matière condensée", il était utilisé en Europe depuis quelques années, notamment dans la revue Springer-Verlag Physics of Condensed Matter, lancée en 1963. [9] Le nom « physique de la matière condensée » soulignait le caractère commun des problèmes scientifiques rencontrés par les physiciens travaillant sur les solides, les liquides, les plasmas et d'autres matières complexes, tandis que la « physique de l'état solide » était souvent associée à des applications industrielles restreintes des métaux et des semi-conducteurs. Dans les années 1960 et 1970, certains physiciens ont estimé que le nom plus complet correspondait mieux à l'environnement de financement et à la politique de la guerre froide de l'époque. [10]
Les références aux états «condensés» peuvent être attribuées à des sources antérieures. Par exemple, dans l'introduction de son livre de 1947 Théorie cinétique des liquides, [11] Yakov Frenkel a proposé que « La théorie cinétique des liquides doit donc être développée comme une généralisation et une extension de la théorie cinétique des corps solides. En fait, il serait plus correct de les unifier sous le titre de "corps condensés"".
Histoire de la physique de la matière condensée
modifierPhysique classique
modifierUne des premières études de la théorie de la matière condensée a été faite par le chimiste anglais Humphry Davy, dans les premières décennies du 19e siècle. Davy a observé que des quarante éléments chimiques connus à l'époque, vingt-six avaient des propriétés métaliques comme l'éclat, la ductilité, et une haute conductivité thermique et électrique. Cela montrait que les atomes dans la théorie atomique de John Dalton n'étaient pas indivisibles comme Dalton le pensait, mais avaient une structure interne. Davy a de plus supposé que les éléments qui étaient alors connus comme des gaz, comme l'hydrogen et l'azote, pouraient être liquéfiés dans les bonnes conditions, et se comporteraient alors comme des métaux.
En 1823, Michael Faraday, alors assistant dans le laboratoire de Davy, réussit à liquéfier le chlore et à liquéfier tous les éléments gazeux connus, à l'exception de l'azote, de l'hydrogène et de l'oxygène . [12] Peu de temps après, en 1869, le chimiste irlandais Thomas Andrews a étudié la transition de phase d'un liquide à un gaz et a inventé le terme point critique pour décrire la condition où un gaz et un liquide étaient indiscernables en tant que phases, [13] et le physicien néerlandais Johannes van der Waals a fourni le cadre théorique qui a permis la prédiction du comportement critique sur la base de mesures à des températures beaucoup plus élevées. [14] :35–38En 1908, James Dewar et Heike Kamerlingh Onnes ont réussi à liquéfier respectivement l'hydrogène et l' hélium nouvellement découvert. [12]
Paul Drude en 1900 a proposé le premier modèle théorique pour un électron classique se déplaçant à travers un solide métallique. [3] Le modèle de Drude décrivait les propriétés des métaux en termes de gaz d'électrons libres et fut le premier modèle microscopique à expliquer des observations empiriques telles que la loi de Wiedemann-Franz . [15] [16] :27–29Cependant, malgré le succès du modèle d'électrons libres de Drude, il avait un problème notable : il était incapable d'expliquer correctement la contribution électronique à la chaleur spécifique et aux propriétés magnétiques des métaux, et la dépendance à la température de la résistivité à basse température. [17] :366–368
En 1911, trois ans après la première liquéfaction de l'hélium, Onnes travaillant à l'Université de Leiden découvrit la supraconductivité du mercure, lorsqu'il observa que la résistivité électrique du mercure disparaissait à des températures inférieures à une certaine valeur. [18] Le phénomène a complètement surpris les meilleurs physiciens théoriciens de l'époque, et il est resté inexpliqué pendant plusieurs décennies. [19] Albert Einstein, en 1922, disait à propos des théories contemporaines de la supraconductivité qu'"avec notre profonde ignorance de la mécanique quantique des systèmes composites nous sommes très loin de pouvoir composer une théorie à partir de ces idées vagues". [20]
Avènement de la mécanique quantique
modifierLe modèle classique de Drude a été complété par Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch et d'autres physiciens. Pauli s'est rendu compte que les électrons libres dans le métal doivent obéir aux statistiques de Fermi-Dirac . En utilisant cette idée, il a développé la théorie du paramagnétisme en 1926. Peu de temps après, Sommerfeld a incorporé les statistiques de Fermi-Dirac dans le modèle d'électrons libres et l'a amélioré pour expliquer la capacité thermique. Deux ans plus tard, Bloch a utilisé la mécanique quantique pour décrire le mouvement d'un électron dans un réseau périodique. [17] :366–368Les mathématiques des structures cristallines développées par Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov et d'autres ont été utilisées pour classer les cristaux selon leur groupe de symétrie, et les tables des structures cristallines ont servi de base à la série International Tables of Crystallography, publiée pour la première fois en 1935. [21] Les calculs de structure de bande ont été utilisés pour la première fois en 1930 pour prédire les propriétés de nouveaux matériaux et, en 1947, John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley ont développé le premier transistor à base de semi-conducteurs, annonçant une révolution dans l'électronique. [3]
En 1879, Edwin Herbert Hall travaillant à l' Université Johns Hopkins a découvert une tension développée à travers les conducteurs transversalement à un courant électrique dans le conducteur et un champ magnétique perpendiculaire au courant. [22] Ce phénomène résultant de la nature des porteurs de charge dans le conducteur a été appelé effet Hall, mais il n'a pas été correctement expliqué à l'époque, car l'électron n'a été découvert expérimentalement que 18 ans plus tard. Après l'avènement de la mécanique quantique, Lev Landau a développé en 1930 la théorie de la quantification de Landau et a jeté les bases de l'explication théorique de l' effet Hall quantique découvert un demi-siècle plus tard. [23] :458–460[24]
Le magnétisme en tant que propriété de la matière est connu en Chine depuis 4000 av. [25] :1–2Cependant, les premières études modernes du magnétisme n'ont commencé qu'avec le développement de l' électrodynamique par Faraday, Maxwell et d'autres au XIXe siècle, qui comprenait la classification des matériaux comme ferromagnétiques, paramagnétiques et diamagnétiques en fonction de leur réponse à l'aimantation. [26] Pierre Curie a étudié la dépendance de l'aimantation à la température et a découvert la transition de phase du point de Curie dans les matériaux ferromagnétiques. [25] En 1906, Pierre Weiss introduit le concept de domaines magnétiques pour expliquer les principales propriétés des ferromagnétiques. [27] :9La première tentative de description microscopique du magnétisme a été faite par Wilhelm Lenz et Ernst Ising à travers le modèle d'Ising qui décrit les matériaux magnétiques comme étant constitués d'un réseau périodique de spins qui acquièrent collectivement une magnétisation. [25] Le modèle d'Ising a été résolu exactement pour montrer que l'aimantation spontanée ne peut pas se produire dans une dimension mais est possible dans des réseaux de dimension supérieure. D'autres recherches telles que celles de Bloch sur les ondes de spin et de Néel sur l' antiferromagnétisme ont conduit au développement de nouveaux matériaux magnétiques avec des applications aux dispositifs de stockage magnétiques . [25] :36–38,g48
Physique moderne à plusieurs corps
modifierLe modèle de Sommerfeld et les modèles de spin pour le ferromagnétisme ont illustré l'application réussie de la mécanique quantique aux problèmes de matière condensée dans les années 1930. Cependant, il restait encore plusieurs problèmes non résolus, notamment la description de la supraconductivité et de l' effet Kondo . [29] Après la Seconde Guerre mondiale, plusieurs idées de la théorie quantique des champs ont été appliquées aux problèmes de matière condensée. Celles-ci comprenaient la reconnaissance des modes d' excitation collective des solides et la notion importante de quasi-particule. Le physicien russe Lev Landau a utilisé l'idée de la théorie du liquide de Fermi dans laquelle les propriétés de basse énergie des systèmes de fermions en interaction étaient données en termes de ce que l'on appelle maintenant les quasi-particules de Landau. [29] Landau a également développé une théorie du champ moyen pour les transitions de phase continues, qui décrivait les phases ordonnées comme une rupture spontanée de la symétrie . La théorie a également introduit la notion de paramètre d'ordre pour distinguer les phases ordonnées. [30] Finalement, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer ont développé la théorie BCS de la supraconductivité, basée sur la découverte qu'une attraction arbitrairement petite entre deux électrons de spin opposé médiée par des phonons dans le réseau peut donner lieu à un état lié appelé une paire Cooper . [31]
L'étude des transitions de phase et du comportement critique des observables, appelés phénomènes critiques, était un domaine d'intérêt majeur dans les années 1960. [33] Leo Kadanoff, Benjamin Widom et Michael Fisher ont développé les idées d' exposants critiques et d'échelle de sagesse. Ces idées ont été unifiées par Kenneth G. Wilson en 1972, sous le formalisme du groupe de renormalisation dans le contexte de la théorie quantique des champs. [33]
L'effet Hall quantique a été découvert par Klaus von Klitzing, Dorda et Pepper en 1980 quand ils ont observé que la conductance de Hall était des multiples de la constante fondamentale . L'effet a été observé indépendamment des paramètres comme la taille du système et les impuretés.[32] En 1981, le théoricien Robert Laughlin a proposé une théorie expliquant la précision non anticipée du plateau intégral. Cela implique aussi que la conductance de Hall est proportionnelle à un invariant topologique, appelé nombre de Chern, dont l'importance dans la structre de bande des solides a été formulée par David J. Thouless et collaborateurs.[34][35]:69, 74 Peu de temps après, en 1982, Horst Störmer et Daniel Tsui ont observé l'effet Hall fractionnaire, où la conductance est alors un multiple rationnel de la constante . Laughlin, en 1983, a réalisé que c'était une conséquence d'interactions de quasiparticules dans les états de Hall et a formulé une solution par méthode variationnelle, appelée fonction d'onde de Laughlin.[36] L'étude des propriétés topologiques de l'effet Hall fractionnaire est toujours un champ de recherche actif.[37] Des décennies plus tard, la théorie topologique des bandes proposée par David J. Thouless et collaborateurs[38] s'est développée et a mené à la découverte des isolants topologiques.[39][40]
En 1986, Karl Müller et Johannes Bednorz ont découvert le premier supraconducteur à haute température, un matériau supraconducteur à des températures aussi élevées que 50 kelvins . On s'est rendu compte que les supraconducteurs à haute température sont des exemples de matériaux fortement corrélés où les interactions électron-électron jouent un rôle important. [41] Une description théorique satisfaisante des supraconducteurs à haute température n'est toujours pas connue et le domaine des matériaux fortement corrélés continue d'être un sujet de recherche actif.
En 2009, David Field et des chercheurs de l'Université d'Aarhus ont découvert des champs électriques spontanés lors de la création de films prosaïques[pas clair] de divers gaz. Cela s'est récemment élargi pour former le domaine de recherche des spontélectriques . [42]
En 2012, plusieurs groupes ont publié des préimpressions qui suggèrent que l' hexaborure de samarium a les propriétés d'un isolant topologique [43] en accord avec les prédictions théoriques antérieures. [44] Puisque l'hexaborure de samarium est un isolant Kondo établi, c'est-à-dire un matériau électronique fortement corrélé, on s'attend à ce que l'existence d'un état de surface topologique de Dirac dans ce matériau conduise à un isolant topologique avec de fortes corrélations électroniques.
Théorique
modifierLa physique théorique de la matière condensée implique l'utilisation de modèles théoriques pour comprendre les propriétés des états de la matière. Ceux-ci incluent des modèles pour étudier les propriétés électroniques des solides, tels que le modèle de Drude, la structure de bande et la théorie de la fonctionnelle de la densité . Des modèles théoriques ont également été développés pour étudier la physique des transitions de phase, comme la théorie de Ginzburg-Landau, les exposants critiques et l'utilisation des méthodes mathématiques de la théorie quantique des champs et du groupe de renormalisation . Les études théoriques modernes impliquent l'utilisation du calcul numérique de la structure électronique et des outils mathématiques pour comprendre des phénomènes tels que la supraconductivité à haute température, les phases topologiques et les symétries de jauge .
Émergence
modifierLa compréhension de la physique de la matière condensée est liée à la notion d'émergence, où des assemblages complexes de particules agissent de manière radicalement différente que leurs composants individuels.[31][37] Par exemple, un intervalle de phénomènes liés à la supraconductivité à haute température sont mal compris, alors que la physique microscopique des électrons individuels et des réseaux est bien connue.[45] Similairement, des modèles de systèmes de matière condensée dans lesquels des excitations collectives agissent comme des photons ou des électrons ont été étudiés, décrivant alors l'électromagnétisme comme un phénomène émergent.[46] Des propriétés émergentes peuvent aussi apparaitre à l'interface entre deux matériaux : un exemple est l'interface lanthanum aluminate-strontium, où deux isolants de bande sont joint pour créer de la conductivité et de la supraconductivité.
Théorie électronique des solides
modifierL'état métallique a toujours été un élément de base important pour l'étude des propriétés des solides. [47] La première description théorique des métaux a été donnée par Paul Drude en 1900 avec le modèle de Drude, qui expliquait les propriétés électriques et thermiques en décrivant un métal comme un gaz parfait d' électrons alors nouvellement découverts. Il a pu dériver la loi empirique de Wiedemann-Franz et obtenir des résultats en accord étroit avec les expériences. [16] :90–91Ce modèle classique a ensuite été amélioré par Arnold Sommerfeld qui a incorporé les statistiques de Fermi-Dirac des électrons et a pu expliquer le comportement anormal de la chaleur spécifique des métaux dans la loi de Wiedemann-Franz . [16] :101–103En 1912, la structure des solides cristallins a été étudiée par Max von Laue et Paul Knipping, lorsqu'ils ont observé le diagramme de diffraction des rayons X des cristaux, et ont conclu que les cristaux tirent leur structure de réseaux périodiques d'atomes. [16] :48[48] En 1928, le physicien suisse Felix Bloch a fourni une solution de fonction d'onde à l' équation de Schrödinger avec un potentiel périodique, connue sous le nom de théorème de Bloch . [49]
Le calcul des propriétés électroniques des métaux en résolvant la fonction d'onde à plusieurs corps est souvent difficile en calcul, et par conséquent, des méthodes d'approximation sont nécessaires pour obtenir des prédictions significatives. [50] La théorie de Thomas-Fermi, développée dans les années 1920, a été utilisée pour estimer l'énergie du système et la densité électronique en traitant la densité électronique locale comme un paramètre variationnel . Plus tard dans les années 1930, Douglas Hartree, Vladimir Fock et John Slater ont développé la fonction d' onde dite Hartree-Fock comme une amélioration par rapport au modèle Thomas-Fermi. La méthode Hartree – Fock a représenté les statistiques d'échange des fonctions d'onde électroniques à une seule particule. En général, il est très difficile de résoudre l'équation Hartree-Fock. Seul le cas du gaz à électrons libres peut être résolu exactement. [47] :330–337Enfin, en 1964-1965, Walter Kohn, Pierre Hohenberg et Lu Jeu Sham ont proposé la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) qui a donné des descriptions réalistes des propriétés de masse et de surface des métaux. La théorie de la fonctionnelle de la densité est largement utilisée depuis les années 1970 pour les calculs de structure de bande de divers solides. [50]
Rupture de symétrie
modifierCertains états de la matière présentent une brisure de symétrie, où les lois pertinentes de la physique possèdent une certaine forme de symétrie qui est brisée. Un exemple courant est celui des solides cristallins, qui rompent la symétrie translationnelle continue. D'autres exemples incluent les ferromagnétiques magnétisés, qui rompent la symétrie de rotation, et des états plus exotiques tels que l'état fondamental d'un supraconducteur BCS, qui rompt la symétrie de rotation de phase U(1) . [51] [52]
Le théorème de Goldstone dans la théorie quantique des champs stipule que dans un système à symétrie continue brisée, il peut exister des excitations avec une énergie arbitrairement basse, appelées les bosons de Goldstone. Par exemple, dans les solides cristallins, ceux-ci correspondent aux phonons, qui sont des versions quantifiées des vibrations du réseau. [53]
Transition de phase
modifierLa transition de phase fait référence au changement de phase d'un système, qui est provoqué par le changement d'un paramètre externe tel que la température . La transition de phase classique se produit à température finie lorsque l'ordre du système a été détruit. Par exemple, lorsque la glace fond et devient de l'eau, la structure cristalline ordonnée est détruite.
In quantum phase transitions, the temperature is set to absolute zero, and the non-thermal control parameter, such as pressure or magnetic field, causes the phase transitions when order is destroyed by quantum fluctuations originating from the Heisenberg uncertainty principle. Here, the different quantum phases of the system refer to distinct ground states of the Hamiltonian matrix. Understanding the behavior of quantum phase transition is important in the difficult tasks of explaining the properties of rare-earth magnetic insulators, high-temperature superconductors, and other substances.[54]
Deux classes de transitions de phase se produisent : les transitions du premier ordre et les transitions du second ordre ou continues . Pour ce dernier, les deux phases impliquées ne coexistent pas à la température de transition, également appelée point critique . Près du point critique, les systèmes subissent un comportement critique, dans lequel plusieurs de leurs propriétés telles que la longueur de corrélation, la chaleur spécifique et la susceptibilité magnétique divergent de manière exponentielle. [54] Ces phénomènes critiques présentent de sérieux défis aux physiciens car les lois macroscopiques normales ne sont plus valables dans la région, et de nouvelles idées et méthodes doivent être inventées pour trouver les nouvelles lois qui peuvent décrire le système. [55] :75ff
La théorie la plus simple qui peut décrire les transitions de phase continues est la théorie de Ginzburg-Landau, qui fonctionne dans l'approximation de champ moyen. Cependant, elle peut difficilement expliquer les transitions de phase continues pour les supraconducteurs de type I et les ferroélectriques qui impliquent des interactions microscopiques à grande distance. Pour d'autres types de systèmes, qui impliquent des interactions à courte distance proche du point critique, une meilleure théorie est requise.[56]:8–11
Près du point critique, les fluctuations se produisent sur une large gamme d'échelles de taille tandis que la caractéristique de l'ensemble du système est invariante d'échelle. Les méthodes de groupe de renormalisation calculent moyennent successivement les fluctuations de longueur d'onde les plus courtes par étapes tout en conservant leurs effets dans l'étape suivante. Ainsi, les changements d'un système physique vu à différentes échelles de taille peuvent être étudiés systématiquement. Les méthodes, associées à une simulation informatique puissante, contribuent grandement à l'explication des phénomènes critiques associés à la transition de phase continue. [55] :11
Expérimental
modifierLa physique expérimentale de la matière condensée implique l'utilisation de sondes expérimentales pour tenter de découvrir de nouvelles propriétés des matériaux. Ces sondes comprennent les effets des champs électriques et magnétiques, la mesure des fonctions de réponse, les propriétés de transport et la thermométrie . [57] Les méthodes expérimentales couramment utilisées comprennent la spectroscopie, avec des sondes telles que les rayons X, la lumière infrarouge et la diffusion inélastique des neutrons ; étude de la réponse thermique, telle que la chaleur spécifique et la mesure du transport par conduction thermique .
Diffusion
modifierPlusieurs expériences sur la matière condensée impliquent la diffusion d'une sonde expérimentale, telle que des rayons X, des photons optiques, des neutrons, etc., sur les constituants d'un matériau. Le choix de la sonde de diffusion dépend de l'échelle d'énergie d'observation d'intérêt. La lumière visible a une énergie à l'échelle de 1 électron volt (eV) et est utilisée comme sonde de diffusion pour mesurer les variations des propriétés des matériaux telles que la constante diélectrique et l'indice de réfraction . Les rayons X ont des énergies de l'ordre de 10 keV et sont donc capables de sonder les échelles de longueur atomique, et sont utilisés pour mesurer les variations de densité de charge électronique. [58] :33–34
Les neutrons peuvent également sonder les échelles de longueur atomique et sont utilisés pour étudier la diffusion des noyaux et les spins et l'aimantation des électrons (car les neutrons ont un spin mais pas de charge). Les mesures de diffusion Coulomb et Mott peuvent être effectuées en utilisant des faisceaux d'électrons comme sondes de diffusion. [58] :33–34[59] :39–43De même, l'annihilation des positrons peut être utilisée comme mesure indirecte de la densité électronique locale. [60] La spectroscopie laser est un excellent outil pour étudier les propriétés microscopiques d'un milieu, par exemple pour étudier les transitions interdites dans les milieux avec la spectroscopie optique non linéaire . [55] :258–259
Champs magnétiques externes
modifierEn physique expérimentale de la matière condensée, les champs magnétiques externes agissent comme des variables thermodynamiques qui contrôlent l'état, les transitions de phase et les propriétés des systèmes matériels. [61] La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode par laquelle des champs magnétiques externes sont utilisés pour trouver des modes de résonance d'électrons individuels, donnant ainsi des informations sur la structure atomique, moléculaire et de liaison de leur voisinage. Les expériences de RMN peuvent être réalisées dans des champs magnétiques d'une intensité allant jusqu'à 60 teslas . Des champs magnétiques plus élevés peuvent améliorer la qualité des données de mesure RMN. [62] :69[63] :185Les oscillations quantiques sont une autre méthode expérimentale où des champs magnétiques élevés sont utilisés pour étudier les propriétés des matériaux telles que la géométrie de la surface de Fermi . [64] Des champs magnétiques élevés seront utiles pour tester expérimentalement les diverses prédictions théoriques telles que l' effet magnétoélectrique quantifié, le monopôle magnétique image et l' effet Hall quantique demi-entier . [62] :57
Spectroscopie nucléaire
modifierLa structure locale, la structure des atomes voisins les plus proches, de la matière condensée peut être étudiée avec des méthodes de spectroscopie nucléaire, qui sont très sensibles aux petits changements. A l'aide de noyaux spécifiques et radioactifs, le noyau devient la sonde qui interagit avec les champs électriques et magnétiques qui l'entourent ( interactions hyperfines ). Les méthodes sont adaptées pour étudier les défauts, la diffusion, le changement de phase, le magnétisme. Les méthodes courantes sont par exemple RMN, spectroscopie Mössbauer ou corrélation angulaire perturbée (PAC). En particulier, le PAC est idéal pour l'étude des changements de phase à des températures extrêmes supérieures à 2000 °C car la méthode ne dépend pas de la température.
Gaz atomiques froids
modifierLe piégeage d' atomes ultrafroids dans des réseaux optiques est un outil expérimental couramment utilisé en physique de la matière condensée et en physique atomique, moléculaire et optique . La méthode consiste à utiliser des lasers optiques pour former un motif d'interférence, qui agit comme un réseau, dans lequel des ions ou des atomes peuvent être placés à des températures très basses. Les atomes froids dans les réseaux optiques sont utilisés comme simulateurs quantiques, c'est-à-dire qu'ils agissent comme des systèmes contrôlables qui peuvent modéliser le comportement de systèmes plus complexes, tels que des aimants frustrés . [65] En particulier, ils sont utilisés pour concevoir des réseaux à une, deux et trois dimensions pour un modèle de Hubbard avec des paramètres pré-spécifiés, et pour étudier les transitions de phase pour l'ordre antiferromagnétique et liquide de spin . [66] [67] [37]
En 1995, un gaz d'atomes de rubidium refroidi à une température de 170 nK a été utilisé pour réaliser expérimentalement le condensat de Bose-Einstein, un nouvel état de la matière prédit à l'origine par SN Bose et Albert Einstein, dans lequel un grand nombre d'atomes occupent un quantum état . [68]
Applications
modifierLes recherches en physique de la matière condensée [37] [69] ont donné lieu à plusieurs applications de dispositifs, comme le développement du transistor à semi -conducteur, [3] la technologie laser, [55] et plusieurs phénomènes étudiés dans le cadre des nanotechnologies . [70] :111ffDes méthodes telles que la microscopie à effet tunnel peuvent être utilisées pour contrôler les processus à l'échelle du nanomètre et ont donné lieu à l'étude de la nanofabrication. [71] De telles machines moléculaires ont été développées par exemple par le lauréat du prix Nobel de chimie Ben Feringa . Lui et son équipe ont développé plusieurs machines moléculaires telles que la voiture moléculaire, le moulin à vent moléculaire et bien d'autres. [72]
Dans le calcul quantique, les informations sont représentées par des bits quantiques, ou qubits . Les qubits peuvent décohérer rapidement avant que le calcul utile ne soit terminé. Ce problème sérieux doit être résolu avant que l'informatique quantique puisse être réalisée. Pour résoudre ce problème, plusieurs approches prometteuses sont proposées en physique de la matière condensée, notamment les qubits à jonction Josephson, les qubits spintroniques utilisant l'orientation de spin des matériaux magnétiques, ou les anyons topologiques non abéliens à partir d'états fractionnaires à effet Hall quantique . [71]
La physique de la matière condensée a également des utilisations importantes pour la biophysique, par exemple, la méthode expérimentale d' imagerie par résonance magnétique, qui est largement utilisée dans le diagnostic médical. [71]
Voir également
modifier
Remarques
modifierLes références
modifier- « Condensed Matter Physics Jobs: Careers in Condensed Matter Physics » [archive du ], Physics Today Jobs (consulté le )
- « History of Condensed Matter Physics », American Physical Society (consulté le )
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Lectures complémentaires
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- Girvin, Steven M.; Yang, Kun (2019-02-28). Physique moderne de la matière condensée . La presse de l'Universite de Cambridge. (ISBN 978-1-108-57347-4)ISBN 978-1-108-57347-4 .
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- PM Chaikin et TC Lubensky (2000). Principes de physique de la matière condensée, Cambridge University Press ; 1ère édition, (ISBN 0-521-79450-1)
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- Alexander Altland et Ben Simons (2006). Théorie des champs de matière condensée, Cambridge University Press, (ISBN 0-521-84508-4) .
- Michael P. Marder (2010). Condensed Matter Physics, deuxième édition, John Wiley and Sons, (ISBN 0-470-61798-5) .
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Liens externes
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