Physique du solide - Solid-state physics

La physique du solide est l'étude de la matière rigide , ou des solides , à l'aide de méthodes telles que la mécanique quantique , la cristallographie , l' électromagnétisme et la métallurgie . C'est la plus grande branche de la physique de la matière condensée . La physique du solide étudie comment les propriétés à grande échelle des matériaux solides résultent de leurs propriétés à l'échelle atomique . Ainsi, la physique du solide constitue une base théorique de la science des matériaux . Elle a également des applications directes, par exemple dans la technologie des transistors et des semi - conducteurs .

Fond

Les matériaux solides sont formés d'atomes densément emballés, qui interagissent intensément. Ces interactions produisent les propriétés mécaniques (par exemple la dureté et l' élasticité ), thermiques , électriques , magnétiques et optiques des solides. Selon le matériau impliqué et les conditions dans lesquelles il s'est formé, les atomes peuvent être disposés selon un motif géométrique régulier ( solides cristallins , qui comprennent des métaux et de la glace d'eau ordinaire ) ou de manière irrégulière (un solide amorphe tel que le verre à vitre commun ).

La majeure partie de la physique du solide, en tant que théorie générale, se concentre sur les cristaux . C'est principalement parce que la périodicité des atomes dans un cristal - sa caractéristique déterminante - facilite la modélisation mathématique. De même, les matériaux cristallins ont souvent des propriétés électriques , magnétiques , optiques ou mécaniques qui peuvent être exploitées à des fins d' ingénierie .

Les forces entre les atomes d'un cristal peuvent prendre diverses formes. Par exemple, dans un cristal de chlorure de sodium (sel commun), le cristal est composé de sodium ionique et de chlore et est maintenu par des liaisons ioniques . Dans d'autres, les atomes partagent des électrons et forment des liaisons covalentes . Dans les métaux, les électrons sont partagés entre l'ensemble du cristal dans une liaison métallique . Enfin, les gaz rares ne subissent aucun de ces types de collage. Sous forme solide, les gaz rares sont maintenus ensemble par les forces de van der Waals résultant de la polarisation du nuage de charge électronique sur chaque atome. Les différences entre les types de solides résultent des différences entre leurs liaisons.

Histoire

Les propriétés physiques des solides ont été des sujets communs de recherche scientifique pendant des siècles, mais un domaine distinct appelé physique des solides n'a émergé que dans les années 1940, en particulier avec la création de la Division of Solid State Physics (DSSP) au sein de l' American Physical Society . Le DSSP s'adresse aux physiciens industriels et la physique du solide s'associe aux applications technologiques rendues possibles par la recherche sur les solides. Au début des années 1960, la DSSP était la plus grande division de l'American Physical Society.

De grandes communautés de physiciens du solide ont également émergé en Europe après la Seconde Guerre mondiale , en particulier en Angleterre , en Allemagne et en Union soviétique . Aux États-Unis et en Europe, l'état solide est devenu un domaine important grâce à ses recherches sur les semi-conducteurs, la supraconductivité, la résonance magnétique nucléaire et divers autres phénomènes. Au début de la guerre froide, la recherche en physique du solide ne se limitait souvent pas aux solides, ce qui a conduit certains physiciens dans les années 1970 et 1980 à fonder le domaine de la physique de la matière condensée , qui s'organisait autour de techniques communes utilisées pour étudier les solides, les liquides, les plasmas, et d'autres sujets complexes. Aujourd'hui, la physique du solide est largement considérée comme le sous-domaine de la physique de la matière condensée, souvent appelée matière condensée dure, qui se concentre sur les propriétés des solides avec des réseaux cristallins réguliers.

Structure cristalline et propriétés

Un exemple de réseau cubique

De nombreuses propriétés des matériaux sont affectées par leur structure cristalline . Cette structure peut être étudiée en utilisant une gamme de techniques cristallographiques , y compris la cristallographie aux rayons X , la diffraction neutronique et la diffraction électronique .

Les tailles des cristaux individuels dans un matériau solide cristallin varient en fonction du matériau impliqué et des conditions dans lesquelles il s'est formé. La plupart des matériaux cristallins rencontrés dans la vie quotidienne sont polycristallins , les cristaux individuels étant à l'échelle microscopique, mais les monocristaux macroscopiques peuvent être produits naturellement (par exemple, les diamants ) ou artificiellement.

Les vrais cristaux présentent des défauts ou des irrégularités dans les arrangements idéaux, et ce sont ces défauts qui déterminent de manière critique bon nombre des propriétés électriques et mécaniques des matériaux réels.

Propriétés électroniques

Les propriétés des matériaux telles que la conduction électrique et la capacité thermique sont étudiées par la physique du solide. Un des premiers modèles de conduction électrique était le modèle Drude , qui appliquait la théorie cinétique aux électrons d'un solide. En supposant que le matériau contient des ions positifs immobiles et un "gaz d'électrons" d'électrons classiques sans interaction, le modèle de Drude a pu expliquer la conductivité électrique et thermique et l' effet Hall dans les métaux, bien qu'il ait largement surestimé la capacité thermique électronique.

Arnold Sommerfeld a combiné le modèle classique de Drude avec la mécanique quantique dans le modèle des électrons libres (ou modèle Drude-Sommerfeld). Ici, les électrons sont modélisés comme un gaz de Fermi , un gaz de particules qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac en mécanique quantique . Le modèle à électrons libres a donné des prédictions améliorées pour la capacité thermique des métaux, cependant, il n'a pas pu expliquer l'existence d' isolants .

Le modèle d'électrons presque libres est une modification du modèle d'électrons libres qui comprend une faible perturbation périodique destinée à modéliser l'interaction entre les électrons de conduction et les ions dans un solide cristallin. En introduisant l'idée de bandes électroniques , la théorie explique l'existence de conducteurs , de semi - conducteurs et d'isolants.

Le modèle à électrons presque libres réécrit l' équation de Schrödinger pour le cas d'un potentiel périodique . Les solutions dans ce cas sont connues sous le nom d' états de Bloch . Étant donné que le théorème de Bloch ne s'applique qu'aux potentiels périodiques et que les mouvements aléatoires incessants d'atomes dans un cristal perturbent la périodicité, cette utilisation du théorème de Bloch n'est qu'une approximation, mais il s'est avéré être une approximation extrêmement précieuse, sans laquelle la plupart des physiciens du solide l'analyse serait insoluble. Les écarts par rapport à la périodicité sont traités par la théorie des perturbations de la mécanique quantique .

Recherche moderne

Les sujets de recherche modernes en physique du solide comprennent :

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Neil W. Ashcroft et N. David Mermin , Solid State Physics (Harcourt : Orlando, 1976).
  • Charles Kittel , Introduction à la physique des solides (Wiley : New York, 2004).
  • HM Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press : Oxford, 1995).
  • Steven H. Simon , The Oxford Solid State Basics (Oxford University Press : Oxford, 2013).
  • Hors du labyrinthe de cristal. Chapitres de l'Histoire de la physique du solide , éd. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford : Oxford University Press, 1992).
  • MA Omar, Physique élémentaire des solides (impression révisée, Addison-Wesley, 1993).
  • Hofmann, Philippe (2015-05-26). Physique des solides (2 éd.). Wiley-VCH. ISBN 978-3527412822.