Descriptif

Physique Quantique Mésoscopique et Matière Topologique

Enseignant : Mark Oliver Goerbig



Ce cours vise à introduire des développements récents en physique de la matière condensée liés à la miniaturisation des circuits électroniques, et à aborder simplement les questions fondamentales qu'ils suscitent. On explorera le monde de la physique mésoscopique, intermédiaire entre l'atome et l'objet macroscopique, dont les nombreux développements sont stimulés par l'évolution très rapide de l'industrie des circuits intégrés, des méthodes de lithographie et de la synthèse de nouveaux matériaux. Par exemple, il est maintenant possible de fabriquer des échantillons où les électrons se propagent strictement dans une dimension ou deux dimensions, et quasiment sans collision. Il s'agira de comprendre les nouveaux mécanismes mis en jeu aux petites échelles.

On présentera la physique de base du transport quantique à l'échelle méso ou nanoscopique, où les lois macroscopiques ne s'appliquent plus, car les électrons se comportent comme des ondes et des phénomènes d'interférences affectent toutes les propriétés physiques. En introduisant quelques concepts simples liés à la mécanique quantique, on décrira en particulier les phénomènes suivants :  effet des interférences quantiques sur le transport électronique, quantification de la conductance, effet Hall quantique ou la physique conceptuellement très riche du graphène, cristal parfaitement bidimensionnel où la dynamique des électrons est celle de particules sans masse (prix Nobel 2010). Au-delà de son intérêt pour les matériaux bidimensionnels, le graphène a également donné naissance à tout un nouveau domaine de recherche de physique de la matière condensée : la matière topologique. On introduira la description des isolants topologiques et des semi-métaux qui possèdent des électrons "ultra-relativistes" en deux et trois dimensions de l'espace ainsi qu'une relation intime reliant la physique du volume à celle des surfaces ou bords conducteurs. On discutera les applications technologiques associées à des différents phénomènes.

Plan du cours

Les matériaux, le confinement électronique
Les limitations de la physique classique
Le domaine de la physique mésoscopique, du macro au nanomonde
Comment décrire la conduction électrique à l'échelle méso ou nanoscopique ?
Du transport balistique au transport diffusif
La conduction électrique vue comme un coefficient de transmission pour les électrons :
      Le formalisme de Landauer-Büttiker, analogies entre la propagation des électrons et celle de la lumière
La physique des électrons sous très fort champ magnétique : l'effet Hall quantique et ses applications
Matière topologique en deux dimensions : du graphène à l'effet Hall quantique de spin
Isolants topologiques en trois dimensions et semi-métaux de Weyl

Langue du cours :  Anglais

Credits ECTS : 5