Titre : Propriétés structurales et électroniques des solides

Titre : Propriétés structurales et électroniques des solides
Enseignants :
Cours :
Sylvain Ravy, Laboratoire de Physique des Solides
Fabrice Bert, Laboratoire de Physique des Solides (Université Paris Sud 11, Orsay)
et 4 assistants de TD et TPs (dont nous préciserons bientôt les noms)
Volume horaire :
Cours et TD : 56h soit 14 séances de 4 h (on appelle une séance un ensemble cours+TD)
Travaux Pratiques : 16h (soit 2 jours par étudiant) le jeudi tout au cours du 1er semestre
Ce cours se propose de donner les bases des techniques expérimentales modernes utilisées
pour étudier les propriétés structurales, électroniques et magnétiques de la matière condensée :
méthode de diffusion (Rayons X, neutrons, lumière, électrons), spectroscopies d’absorption
(XAFS) et d’électrons (ARPES), microscopies de proximités (AFM, STM), sondes locales
(RMN, RPE), méthodes de transport électrique. Il s’appuyera en particulier sur les concepts et
formalismes développés dans le cours « Théorie de la matière condensée » (A.Georges, X.Leyronas,
C.Mora et O.Parcollet). Il se basera sur des techniques et exemples empruntés aux recherches
récentes, et sera accompagné de travaux pratiques dans les laboratoires de recherche ou les
grands instruments (SOLEIL, LLB). On choisira comme « fil conducteur » un petit nombre de
matériaux d’interêt aux propriétés originales et représentatives de sujets de recherche actuels dont on
présentera les propriétés dans les différentes parties du cours: cuprates supraconducteurs à haute Tc ;
systèmes de basse dimension à onde de densité (charge ou spin) ; liquides de spin ; alliages…
1. Ordres en matière condensée (4 séances)
L’ordre. Les fonctions de corrélations de paires. Intro rapide aux différents types
d’ordre (courte distance, longue distance, intermédiaires). Ordre=Bragg.
La symétrie. Groupes ponctuels, principe de Curie.
Ordre cristallin périodique: réseau, groupes d’espace, réseau réciproque
Ordre cristallin apériodique : incommensurables, quasi-cristaux and beyond…
Ordre à courte portée : Verres, Amorphes, quasi-ordre et fractals.
Ordre intermédiaires : matière molle, thermotropes, lyotropes, polymères
Désordre et défauts (Phonons, alliages, dislocations, surfaces, polycristaux)
2. Interaction photon/neutron/electron-matière (5 séances)
Processus d’interaction élémentaires: Diffusion et absorption, cohérence, sources
(synchrotron, pile neutrons, FEL)
Spectroscopies d’absorption : EXAFS, XANES, fluorescence et d’électrons : XPS
Diffusion : Théorie cinématique jusqu’à S(q, omega) et G(r,t).
Diffusion sur les systèmes mal ordonnés : Verres, liquides, amorphes, Xaux liquides
Diffraction : Condition de Laue. Facteur de structure. Techniques de diffraction.
Résolution de structure.
Cristaux désordonnés : Phonons, alliages
Transitions de phases : Application de fluctuation-dissipation, exp. critiques
Diffusion aux petits angles : Guinier, Porod, Fractals, polymères
Dynamique : Diffusion inélastique des neutrons, RX, lumière spectroscopies de
speckles lumière et RX.
Magnétisme : Diffusion magnétique des neutrons et des RX
3. Propriétés électroniques des solides (5 séances)
-
Structure de bande et surface de Fermi
Structures de bande : rappels (électrons libres et presque libres, liaisons fortes,
surface et niveau de Fermi, liquides de Fermi et effet des corrélations)
Oscillations quantiques : théorie semiclassique, niveaux de Landau, mesure par
aimantation (de Haas-Van Alphen) ou résistivité (Shubnikov-de Haas)
Photoémission résolue en angle (ARPES) : fonction spectrale, quasiparticule, surface
de Fermi et structure de bande
Spectroscopiques locales : effet tunnel et STM, densité d’état locale
-
Réponses de charge et de spin
Les fonctions de réponse : rappels généraux, théorie de la réponse linéaire, les
susceptibilités, théorème fluctuation dissipation, Kramers Kronig
Réponse de charge : susceptibilité de charge. Ecrantage, RPA, oscillations de Friedel,
nesting – différentes mesures indirectes (microscopie tunnel, resonance quadrupolaire
NQR, ARPES)
Réponse magnétique: les différents types de susceptibilités magnétiques
(diamagnétisme, moments localisés, métaux, effet des interactions) - méthodes
expérimentales : susceptibilité statique : mesure macroscopique (SQUID) ; mesure
locale (RMN, RPE) - susceptibilité dynamique : RMN, neutrons
Réponse optique : simple évocation pour faire le lien avec ce qui précède
-
Transport électrique
Considérations expérimentales : techniques de mesures, de contact, limitations,
quelques comportements typiques
Théorie semi-classique, approximation du temps de relaxation, Boltzmann-Bloch,
Sources de diffusion : impuretés (Matthiessen), phonons, électrons
Quelques comportements originaux : Kondo, transitions métal-isolant,
supraconductivité
Travaux pratiques :
Chaque étudiant suivra 2 jours de TP :
-
un TP de 1 jour sur des montages de rayons X pour des expériences de diffraction portant à la fois
sur des exemples de physique des solides et sur des exemples de matière molle
-
un TP de 1 jour sur une expérience de recherche :
o soit au synchrotron SOLEIL pour des expériences de diffraction X ou de photoémission
o soit au LLB pour des expériences de diffraction de neutrons
o soit au LPS pour des expériences de thermodynamique à basse température et champ
magnétique intense
Ces TPs permettront de montrer un exemple d’un sujet de physique moderne et en lien direct
avec des techniques et des dispositifs de pointe en recherche de la matière condensée sur la
région parisienne.