Théorie de la Matière Condensée: quelques enjeux Antoine Georges - Master CFP Novembre 2010

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1 Théorie de la Matière Condensée: quelques enjeux Antoine Georges - Master CFP Novembre 2010

2 Physique de la matière condensée: Comprendre la structure et les propriétés physiques des «formes organisées» de la matière

3 Le terrain de jeu un «jeu de construction» atomique

4 Formes organisées du CARBONE Diamant Graphite Lonsdaléite! «Buckminsterfullerènes» " Amorphe (~verre) Nanotubes de Carbone Image : wikipedia

5 The Nobel prize for Physics 2010 Oct 5, 2010: The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

6 Nanotubes: enroulement du graphène sur lui-même Diamètre: quelques nanomètres 1 nanomètre= 10-9 mètres = 1 millionième de millimètre

7 Oxydes ou Sr Li LiCoO 2 : un composé d intercalation essentiel aux batteries «Lithium ion» La 2-x Sr x CuO 4 : un oxyde supraconducteur «à haute température critique»! Plan CuO 2

8 D autres architectures " La Matière Molle MOUSSE GEL Solide cristallin Cristal liquide Liquide

9 Des «matériaux artificiels» Epitaxie par jet moléculaire: élaboration de matériaux «plan atomique par plan atomique» Image: A.Fert Multicouches Fer/Chrome: Les débuts de la «magnétorésistance géante» (A.Fert, P.Grünberg, prix Nobel 2007)

10 Structuration vers le nanomètre Un très petit pont Un fil d Aluminium de 50 nm de diamètre! Images: Groupe Quantronique CEA-SPEC-Saclay

11 Une nouvelle frontière: atomes ultra-froids et physique de la matière condensée Réseaux optiques: des «cristaux de lumière et d atomes»

12 Visualisation d atomes individuels dans les réseaux optiques! Microscopie électronique à balayage (T. Gericke et coll. Nature Phys. 4 (2008) 949 Equipe de Herwig Ott à Mainz

13 Les trois «forces motrices» :! Synthèse et élaboration de nouveaux matériaux! Etudes expérimentales de leurs propriétés, et instrumentation! Nouvelles questions fondamentales et interrogations théoriques

14 Émergence de phénomènes collectifs à grande échelle: un vrai défi fondamental Distances: (mètres) Å nm µm mm Atomique!Mésoscopique " Macroscopique" Energie / Température: (électronvolts) =10mK (Degrés Kelvin)! 7 ordres de grandeur!

15 Paul Dirac, 1929 ``Quantum Mechanics of Many-Electron Systems ``The general theory of quantum mechanics is now almost complete ( ). The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble.'' P. A. M. Dirac, "Quantum Mechanics of Many-Electron Systems, Proceedings of the Royal Society of London, Series A, Vol.123, April 1929, pp 714.

16 La «grande équation universelle»? Fonction d onde: {r i } positions des électrons, {R p } des noyaux (Schrödinger, 1926) 1 ère ligne: énergie cinétique des électrons et des noyaux 2 nde ligne: interaction entre noyaux, entre noyaux et électrons, et des électrons entre eux (c est le terme difficile à traiter!) Interaction électrostatique de Coulomb (1785)

17 Deux grands types d approches théoriques I. Se placer directement a grande échelle: Théories «de basse énergie» des phénomènes collectifs II. Partir de l échelle microscopique/atomique

18 Théorie effective de basse énergie pour le graphène: des fermions de Dirac! "!Possibilité d étudier différents phénomènes relativistes dans ce contexte!

19 Des conducteurs quasi-unidimensionnels: TMTSF (tetramethyltetraselenafulvalene) les «sels de Bechgaard» Conducteurs organiques (TMTSF) 2 X X=PF 6, ClO 4, "!Théories des champs effectives en 1+1 dimension (Liquides de Luttinger) "!Théories des champs conformes

20 Théories microscopiques : Partir des atomes pour reconstruire le matériau?

21 La simulation directe de systèmes fermioniques (électrons par exemple) se heurte a deux difficultés majeures:! La taille gigantesque de l espace de Hilbert, qui croît exponentiellement avec le nombre de particules! Dans les méthodes Monte-Carlo, le fait que les amplitudes changent de signe selon la configuration considérée. "!Nécessite le développement de nouvelles méthodes theoriques et algorithmiques

22 Les matériaux à électrons «fortement corrélés» résistent (encore) aux efforts théoriques Un «isolant de Mott»: LaTiO 3

23 Transition Metals Rare earths and Actinides

24 Le phénomène de Mott: quand les interactions répulsives bloquent le mouvement des électrons Animation: par permission de Hidetoshi Fukuyama

25 K.A. Müller La révolution de 1986 : supraconducteurs à «haute» température critique J.G. Bednorz RFeAsO (2008) Température de L Azote liquide (77 degrés K) Température de L Hélium liquide (4 degrés K)

26 Etats physiques des oxydes de cuivre supraconducteurs «à haute température critique» : Température (degrés Kelvin) Etat magnétique Métal«étrange» Etat supraconducteur Injection d électrons Isolant de Mott Injection de «trous» (lacunes électroniques)

27 Destruction sélective des quasiparticules et état «pseudo-gap» Pic de quasiparticule sur la diagonale de la zone de Brillouin DE NOMBREUSES QUESTIONS OUVERTES: Absence de pic de quasiparticule loin de la diagonale Photoémission - A.Kaminski et al. Phys Rev B 71 (2005) !Pourquoi ces matériaux sont ils supraconducteurs? (Qu est ce qui apparie les électrons?) -!Comment expliquer les étranges propriétés de l etat metallique juste au dessus de Tc?

28 La quête de nouveaux supraconducteurs: surprise très récentes, nouvelles questions Les nouveaux pnictures de Fer (T c ~ 55 K) Hosono et al., 2008 MgB 2 (T c ~ 40 K) Akimitsu et al., 2001

29 Défis et frontières! Nouveaux matériaux! Nouvelles sondes expérimentales! Défis théoriques! Défis algorithmiques! Du microscopique au macroscopique, en pratique! nouveaux «groupes de renormalisation»?! Conception de matériaux nouveaux («assistée par la simulation»?)! Nouveaux domaines frontières! atomes froids,

30 Quelques équipes de la région Paris-Sud (liste non-exhaustive )! LPS-Orsay " nombreux domaines! LPTMS-Orsay " atomes froids, effet Hall, mésoscopiques! CEA-Saclay: IPhT et SPEC " systèmes fortement corrélés, mésoscopiques, spins frustres! Ecole Polytechnique: CPHT: systèmes fortement corrélés, atomes froids, structure électronique ab-initio LSI: structure électronique ab-initio! Institut d Optique (IOGS) atomes froids

31 Paris-centre - ENS (semiconducteurs, mésoscopiques, atomes froids ) - Université Pierre et Marie Curie: LPTMC nombreux sujets LPTHE -! Université Denis Diderot Paris 7 LMPQ photonique quantique, hors équilibre

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