La physique de la matière condensée - Condensed matter physics

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 : des systèmes de nombreux constituants avec de fortes interactions entre eux. Les phases condensées plus exotiques comprennent la phase supraconductrice présentée par certains matériaux à basse température , les phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques des spins sur les réseaux cristallins des 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, et la Division of Condensed Matter Physics est la plus grande division de l' American Physical Société . 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 d'importants concepts et méthodes avec celle de la physique des particules et de la physique nucléaire .

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. Les Bell Telephone Laboratories ont été l'un des premiers instituts à mener un programme de recherche en physique de la matière condensée.

Étymologie

Selon le physicien Philip Warren Anderson , l'utilisation du terme « matière condensée » pour désigner un champ d'étude a été inventé par lui et Volker Heine , quand ils ont changé le nom de leur groupe au laboratoires Cavendish , Cambridge de la théorie de l' état solide à la théorie de la matière condensée en 1967, car ils pensaient que cela incluait mieux leur intérêt pour les liquides, la matière nucléaire , etc. Bien qu'Anderson et Heine aient aidé 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. 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, alors 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 estimaient que le nom plus complet correspondait mieux à l'environnement de financement et à la politique de la guerre froide de l'époque.

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 , 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. il serait plus juste de les unifier sous le titre de « corps condensés » ».

Histoire de la physique de la matière condensée

Physique classique

Heike Kamerlingh Onnes et Johannes van der Waals avec le liquéfacteur d' hélium à Leyde en 1908

L'une des premières études sur les états condensés de la matière a été réalisée par le chimiste anglais Humphry Davy , dans les premières décennies du XIXe siècle. Davy a observé que sur les quarante éléments chimiques connus à l'époque, vingt-six avaient des propriétés métalliques telles que le lustre , la ductilité et une conductivité électrique et thermique élevée. Cela indique que les atomes de John Dalton de la théorie atomique ne sont pas indivisible selon Dalton, mais avait une structure intérieure. Davy a en outre affirmé que des éléments que l'on croyait alors être des gaz, tels que l' azote et l' hydrogène, pouvaient 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 . 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, et le physicien néerlandais Johannes van der Waals a fourni le cadre théorique qui a permis de prédire le comportement critique à partir de mesures à des températures beaucoup plus élevées. En 1908, James Dewar et Heike Kamerlingh Onnes ont réussi à liquéfier l'hydrogène, puis l' hélium nouvellement découvert , respectivement.

Paul Drude a proposé en 1900 le premier modèle théorique d'un électron classique se déplaçant à travers un solide métallique. Le modèle de Drude décrit les propriétés des métaux en termes de gaz d'électrons libres, et a été le premier modèle microscopique à expliquer des observations empiriques telles que la loi de Wiedemann-Franz . Cependant, 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.

En 1911, trois ans après la première liquéfaction de l'hélium, Onnes, travaillant à l' Université de Leyde, a découvert la supraconductivité dans le mercure , lorsqu'il a observé que la résistivité électrique du mercure disparaissait à des températures inférieures à une certaine valeur. Le phénomène a complètement surpris les meilleurs physiciens théoriciens de l'époque, et il est resté inexpliqué pendant plusieurs décennies. Albert Einstein , en 1922, a déclaré à propos des théories contemporaines de la supraconductivité qu'"avec notre ignorance étendue de la mécanique quantique des systèmes composites, nous sommes très loin de pouvoir composer une théorie à partir de ces idées vagues".

Avènement de la mécanique quantique

Le modèle classique de Drude a été augmenté 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 à la statistique 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 des électrons libres et a permis de mieux 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. Les mathématiques des structures cristallines développées par Auguste Bravais , Yevgraf Fyodorov et d'autres ont été utilisées pour classer les cristaux par leur groupe de symétrie , et les tables de structures cristallines ont été la base de la série International Tables of Crystallography , publiée pour la première fois en 1935. Les calculs de structure de bande ont été les premiers utilisé 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-conducteur , annonciateur d'une révolution dans l'électronique.

Une réplique du premier transistor à point de contact dans les laboratoires Bell

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. Ce phénomène dû à 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.

Le magnétisme en tant que propriété de la matière est connu en Chine depuis 4000 av. Cependant, 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 en ferromagnétiques , paramagnétiques et diamagnétiques en fonction de leur réponse à la magnétisation. 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. En 1906, Pierre Weiss introduit le concept de domaines magnétiques pour expliquer les principales propriétés des ferroaimants. La première tentative de description microscopique du magnétisme a été réalisée par Wilhelm Lenz et Ernst Ising à travers le modèle d'Ising qui a décrit les matériaux magnétiques comme étant constitués d'un réseau périodique de spins qui ont collectivement acquis une magnétisation. 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 les 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 magnétique .

Physique moderne à plusieurs corps

Un aimant en lévitation au-dessus d'un supraconducteur à haute température . Aujourd'hui, certains physiciens travaillent à comprendre la supraconductivité à haute température en utilisant la correspondance AdS/CFT.

Le modèle 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 plusieurs problèmes non résolus, notamment la description de la supraconductivité et de l' effet Kondo . 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 quasiparticule. 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 des quasiparticules de Landau. Landau a également développé une théorie du champ moyen pour les transitions de phase continues, qui décrit 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. 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 faible entre deux électrons de spin opposé médiée par des phonons dans le réseau peut donner lieu à un état lié appelé une paire de Cooper .

L' effet Hall quantique : Composantes de la résistivité Hall en fonction du champ magnétique externe

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. Leo Kadanoff , Benjamin Widom et Michael Fisher ont développé les idées d' exposants critiques et d' échelle de la 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.

L' effet Hall quantique a été découvert par Klaus von Klitzing , Dorda et Pepper en 1980 lorsqu'ils ont observé que la conductance de Hall était un multiple entier d'une constante fondamentale . . En 1981, le théoricien Robert Laughlin a proposé une théorie expliquant la précision inattendue du plateau intégral. Cela impliquait également que la conductance de Hall est proportionnelle à un invariant topologique, appelé nombre de Chern , dont la pertinence pour la structure de bande des solides a été formulée par David J. Thouless et ses collaborateurs. Peu de temps après, en 1982, Horst Störmer et Daniel Tsui ont observé l' effet Hall quantique fractionnaire où la conductance était désormais un multiple rationnel de la constante . Laughlin, en 1983, s'est rendu compte qu'il s'agissait d'une conséquence de l'interaction des quasi-particules dans les états de Hall et a formulé une solution de méthode variationnelle , appelée fonction d'onde de Laughlin . L'étude des propriétés topologiques de l'effet Hall fractionnaire reste un domaine de recherche actif. Des décennies plus tard, la théorie des bandes topologiques mentionnée ci-dessus, avancée par David J. Thouless et ses collaborateurs, a été encore élargie, conduisant à la découverte d' isolants topologiques . ${\style d'affichage e^{2}/h}$ ${\style d'affichage e^{2}/h}$

En 1986, Karl Müller et Johannes Bednorz ont découvert le premier supraconducteur à haute température , un matériau supraconducteur à des températures pouvant atteindre 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. 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 de divers gaz. Cela s'est plus récemment élargi pour former le domaine de recherche de la spontélectricité .

En 2012, plusieurs groupes ont publié des prépublications qui suggèrent que l' hexaborure de samarium a les propriétés d'un isolant topologique en accord avec les prédictions théoriques antérieures. 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 conduirait à un isolant topologique avec de fortes corrélations électroniques.

Théorique

La physique théorique de la matière condensée implique l'utilisation de modèles théoriques pour comprendre les propriétés des états de la matière. Il s'agit notamment de modèles pour étudier les propriétés électroniques des solides, tels que le modèle 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

La compréhension théorique de la physique de la matière condensée est étroitement liée à la notion d' émergence , dans laquelle des assemblages complexes de particules se comportent de manières radicalement différentes de leurs constituants individuels. Par exemple, une série de phénomènes liés à la supraconductivité à haute température sont mal compris, bien que la physique microscopique des électrons et des réseaux individuels soit bien connue. De même, des modèles de systèmes de matière condensée ont été étudiés où les excitations collectives se comportent comme des photons et des électrons , décrivant ainsi l' électromagnétisme comme un phénomène émergent. Des propriétés émergentes peuvent également se produire à l'interface entre les matériaux : un exemple est l' interface aluminate de lanthane-titanate de strontium , où deux isolants non magnétiques sont joints pour créer la conductivité, la supraconductivité et le ferromagnétisme .

Théorie électronique des solides

L'état métallique a toujours été un élément important pour l'étude des propriétés des solides. La première description théorique des métaux a été donnée par Paul Drude en 1900 avec le modèle Drude , qui expliquait les propriétés électriques et thermiques en décrivant un métal comme un gaz idéal 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. Ce 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 . En 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. 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 .

Le calcul des propriétés électroniques des métaux en résolvant la fonction d'onde à N corps est souvent difficile en termes de calcul et, par conséquent, des méthodes d'approximation sont nécessaires pour obtenir des prédictions significatives. 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 pris en compte les statistiques d'échange des fonctions d'onde des électrons à particule unique. En général, il est très difficile de résoudre l'équation Hartree-Fock. Seul le cas du gaz d'électrons libres peut être résolu exactement. Enfin, en 1964-1965, Walter Kohn , Pierre Hohenberg et Lu Jeu Sham ont proposé la théorie de la fonctionnelle de la densité qui a donné des descriptions réalistes des propriétés de masse et de surface des métaux. La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a été largement utilisée depuis les années 1970 pour les calculs de structure de bande de divers solides.

Rupture de symétrie

Certains 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 brisent la symétrie de translation continue . D' autres exemples comprennent aimantés ferromagnétiques , qui rompent la symétrie de rotation , et des états plus exotiques tels que l'état fondamental d'un BCS supraconducteur , que les pauses U (1) phase de symétrie de rotation.

Le théorème de Goldstone en théorie quantique des champs stipule que dans un système à symétrie continue brisée, il peut exister des excitations d'énergie arbitrairement basse, appelées bosons de Goldstone . Par exemple, dans les solides cristallins, ceux-ci correspondent aux phonons , qui sont des versions quantifiées des vibrations du réseau.

Transition de phase

La 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.

Dans les transitions de phase quantiques , la température est fixée au zéro absolu et le paramètre de contrôle non thermique, tel que la pression ou le champ magnétique, provoque les transitions de phase lorsque l'ordre est détruit par les fluctuations quantiques provenant du principe d'incertitude de Heisenberg . Ici, les différentes phases quantiques du système font référence à des états fondamentaux distincts de la matrice hamiltonienne . Comprendre le comportement de la transition de phase quantique est important dans les tâches difficiles d'explication des propriétés des isolants magnétiques des terres rares, des supraconducteurs à haute température et d'autres substances.

Deux classes de transitions de phase se produisent : les transitions de premier ordre et les transitions de second ordre ou continues . Pour ces derniers, 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. 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.

La théorie la plus simple qui peut décrire les transitions de phase continues est la théorie de Ginzburg-Landau , qui fonctionne dans ce qu'on appelle l' approximation de champ moyen . Cependant, cela ne peut expliquer qu'approximativement une transition de phase continue pour les ferroélectriques et les supraconducteurs de type I qui implique des interactions microscopiques à longue distance. Pour d'autres types de systèmes impliquant des interactions à courte portée près du point critique, une meilleure théorie est nécessaire.

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 à l'échelle. Les méthodes de groupe de renormalisation font successivement la moyenne des 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 puissante simulation informatique, contribuent grandement à l'explication des phénomènes critiques associés à la transition de phase continue.

Expérimental

La physique expérimentale de la matière condensée implique l'utilisation de sondes expérimentales pour essayer de découvrir de nouvelles propriétés des matériaux. De telles sondes incluent les effets des champs électriques et magnétiques , la mesure des fonctions de réponse , les propriétés de transport et la thermométrie . 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 mesure du transport par conduction thermique et thermique .

Image du diagramme de diffraction des rayons X à partir d'un cristal de protéine .

Diffusion

Plusieurs expériences de 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.

Les neutrons peuvent également sonder les échelles de longueur atomique et sont utilisés pour étudier la diffusion des noyaux et les spins des électrons et la magnétisation (car les neutrons ont un spin mais pas de charge). Des mesures de diffusion de Coulomb et Mott peuvent être effectuées en utilisant des faisceaux d'électrons comme sondes de diffusion. De même, l' annihilation des positons peut être utilisée comme mesure indirecte de la densité électronique locale. 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 .

Champs magnétiques externes

En 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. La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode par laquelle des champs magnétiques externes sont utilisés pour trouver les modes de résonance des 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 avec des forces allant jusqu'à 60 Tesla . Des champs magnétiques plus élevés peuvent améliorer la qualité des données de mesure RMN. Les 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 . Des champs magnétiques élevés seront utiles pour tester expérimentalement les diverses prédictions théoriques telles que l' effet magnétoélectrique quantifié , le monopole magnétique image et l' effet Hall quantique demi-entier .

Spectroscopie nucléaire

La structure locale , la structure des atomes les plus proches voisins, 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 ses champs électriques et magnétiques environnants ( interactions hyperfines ). Les méthodes sont adaptées pour étudier les défauts, la diffusion, le changement de phase, le magnétisme. Les méthodes courantes sont par exemple la RMN , la spectroscopie Mössbauer ou la corrélation angulaire perturbée (PAC). Le PAC en particulier est idéal pour l'étude des changements de phase à des températures extrêmes supérieures à 2000 °C en raison de l'absence de dépendance de la méthode à la température.

Gaz atomiques froids

Le premier condensat de Bose-Einstein observé dans un gaz d' atomes de rubidium ultrafroids . Les zones bleues et blanches représentent une densité plus élevée.

Le piégeage d' atomes ultrafroids dans les 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 très basse température. Les atomes froids dans les réseaux optiques sont utilisés comme simulateurs quantiques , c'est-à-dire qu'ils agissent comme des systèmes contrôlables pouvant modéliser le comportement de systèmes plus complexes, tels que les aimants frustrés . En particulier, ils sont utilisés pour concevoir des réseaux à une, deux et trois dimensions pour un modèle Hubbard avec des paramètres prédéfinis, et pour étudier les transitions de phase pour l'ordre antiferromagnétique et liquide de spin .

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 initialement prédit par SN Bose et Albert Einstein , dans lequel un grand nombre d'atomes occupent un quantum. état .

Applications

Simulation informatique de nanoengrenages constitués de molécules de fullerène . On espère que les progrès des nanosciences conduiront à des machines fonctionnant à l'échelle moléculaire.

Les recherches en physique de la matière condensée ont donné lieu à plusieurs applications de dispositifs, telles que le développement du transistor semi - conducteur , la technologie laser , et plusieurs phénomènes étudiés dans le cadre des nanotechnologies . Des méthodes telles que la microscopie à balayage tunnel peuvent être utilisées pour contrôler des processus à l' échelle nanométrique , et ont donné lieu à l'étude de la nanofabrication.

Dans le calcul quantique , l'information est représentée par des bits quantiques, ou qubits . Les qubits peuvent se décoder rapidement avant que le calcul utile ne soit terminé. Ce grave problème 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 de jonction Josephson, les qubits spintroniques utilisant l' orientation de spin de matériaux magnétiques, ou les anyons topologiques non abéliens à partir d' états fractionnaires à effet Hall quantique .

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.

Voir également

Matière molle
Relations Vert-Kubo
Fonction de Green (théorie à plusieurs corps)
Science des matériaux - Domaine interdisciplinaire qui traite de la découverte et de la conception de nouveaux matériaux, principalement des propriétés physiques et chimiques des solides
Spectroscopie nucléaire
Comparatif de logiciels de modélisation en mécanique moléculaire
Matériaux transparents
Aimantation orbitale
Symétrie en mécanique quantique – Propriétés sous-jacentes à la physique moderne
Physique mésoscopique - Sous-discipline de la physique de la matière condensée qui traite des matériaux de longueur intermédiaire

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Anderson, Philip W. (2018-03-09). Notions de base de la physique de la matière condensée . Presse CRC. ISBN 978-0-429-97374-1 .
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Liens externes

Médias liés à la physique de la matière condensée sur Wikimedia Commons

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