Les connaissances de base en matière de physique des électrons dans les solides. ©Electre 2024

L'observation des propriétés physiques des solides met en évidence l'émergence de comportements originaux, tels la supraconductivité ou le magnétisme, qui pourraient difficilement être anticipés par la seule connaissance des atomes constituants. Ce sont les états quantiques des électrons qui sont à l'origine de cette diversité des propriétés macroscopiques des solides. Si seule l'approche expérimentale permet de révéler les manifestations spectaculaires de ces effets physiques, les concepts de base de mécanique quantique et de physique statistique sont requis pour aboutir à une description formelle établissant les liens entre le microscopique et le macroscopique. Au niveau industriel, la découverte des semi-conducteurs a été à l'origine du formidable essor des technologies de l'information, mais l'on peut anticiper que la maîtrise des matériaux à propriétés remarquables découverts dans un passé récent conduira sans aucun doute à des applications à grande échelle. La physique des électrons dans les solides s'impose donc aux ingénieurs et aux scientifiques comme un domaine clé démontrant que les connaissances de physique fondamentale sont essentielles dans la vie du citoyen d'aujourd'hui.

Ce cours cherche à sensibiliser aux multiples aspects mis en jeu dans la compréhension des phénomènes quantiques macroscopiques dans les solides, en présentant les techniques expérimentales modernes qui permettent de les observer. Une approche classique d'électrons indépendants pour décrire la structure électronique en bandes d'énergie permet d'expliquer l'existence de métaux, d'isolants et d'introduire la notion de semi-conducteurs. Par contre la supraconductivité et le magnétisme ne peuvent être appréhendés qu'en tenant compte de l'existence des corrélations entre électrons. Ceci est révélé en privilégiant l'enchaînement historique des expériences qui permettent de caractériser le phénomène de supraconductivité et d'en identifier l'origine. Au delà des concepts fondamentaux, ce cours introduit aussi ceux qui sont indispensables pour décrire les applications en haute technologie et pour appréhender celles qui pourraient se développer dans le monde des nanotechnologies.