Semestre 9 : Cours fondamentaux

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1 Semestre 9 : Cours fondamentaux Lasers et optique non linéaire - Cavités laser et faisceaux gaussiens: Matrices de transfert et stabilités des cavités, faisceaux gaussiens et propagation, modes propres et stabilité d une cavité. - Oscillation Laser: Conditions d oscillation laser, établissement et évolution de l oscillation laser, puissance de sortie d un laser continu. - Modes de fonctionnement des lasers : Lasers continus, systèmes à trois ou quatre niveaux; fonctionnement déclenché (Q-Switch), fonctionnement en mode bloqué. - Panorama des familles de lasers : laser à gaz, lasers à colorant, lasers solides, lasers à semi-conducteurs, lasers à fibres. - Impulsions ultracourtes: Sources, propagation linéaire et nonlinéaire, caractérisation et amplification - Introduction à l optique non linéaire (NL) - Effets NL du second ordre: Génération d une somme de fréquences, relations de Manley-Rowe, mélange paramétrique, oscillateur paramétrique optique. - Effets NL du troisième ordre: Effet Kerr optique, automodulation de phase, propagation solitonique, mélange à quatre ondes, miroirs à conjugaison de phase, diffusion stimulée (Raman, Brillouin, Rayleigh). Physique statistique avancée - Champs fluctuants en thermodynamique statistique: théorème d'extremun, fluctuations gaussiennes, théorème de l'équipartition de l'énergie - illustrations par les phénomènes de mouillage, d'opalescence critique. - Symétries continues brisées et divergence des fluctuations en thermodynamique statistique; effets de la dimensionnalité - illustrations par l'opalescence nématique, l'instabilité de Landau-Peierls dans les smectiques - Description statistique des phénomènes dynamiques au voisinage de l'équilibre: théorie de la réponse linéaire, théorème fluctuation-dissipation. Spectres Rayleigh-Brillouin d'un liquide simple et d'un système colloïdal. - Description stochastiques des phénomènes dynamiques au voisinage de l'équilibre: équation de Langevin, équation de Fokker-Planck. Modèle de Drude pour la conductivité. Modèle d'einstein pour le coefficient de diffusion d'une sphère colloïdale. - Dynamique de la séparation de phases: nucléation-croissance et décomposition spinodale. Optique quantique et spectroscopie - Approches phénoménologiques de l interaction laser-matière - Approche semi-classique: Matrice densité. Evolution en présence de relaxation, équation pilote. Traitement perturbatif et susceptibilité. - Interaction quasi-résonnante dans les systèmes à deux niveaux - Equations de Bloch optiques. Transitoires cohérents. Spectroscopie de très haute résolution. Franges de Ramsey. - Description quantique du champ électromagnétique libre: Quantification du rayonnement, états stationnaires du rayonnement, état cohérent. Emission spontanée. Statistique de photons. - Interaction entre un système à deux niveaux et un champ quantique: Hamiltonien et processus d interaction. Méthode de l atome habillé. - Signaux de photodétection - Applications: Refroidissement d'atomes par laser, condensation de Bose- Einstein, sources de photons uniques Nanophysique - Physique de l élaboration des nanostructures. Auto-assemblage. - Surfaces et interfaces. Puits Quantiques. Interfaces épitaxiées et technique MBE. Réalisation de puits quantiques. Gaz d électrons 2D. Surfaces des semiconducteurs. Etats de surface. L effet du dopage et Courbures des bandes. - L électronique de spin (ou spintronique). - Structures nanométriques zéro-dimensionnelles. Boîtes quantiques. Nanocristaux. - Structures nanométriques uni- dimensionnelles. Transition de Peierls. Nanotubes et nanofils. - Transitions de phase dans les systèmes nanométriques - Nanoélectronique. Blocage de Coulomb, transport à un électron. Supraconductivité à l échelle nanoscopique. - Nanophotonique Propriétés optiques des nanostructures de semiconducteurs (Puits Quantiques, Quantum dots ), des nanoparticules métalliques et des nanotubes de carbone.

2 Physique des objets biologiques - Bases de biologie cellulaire Comment la cellule fonctionne, différents constituants, techniques d étude. Code génétique. Echelles de force et d énergie. Cycle cellulaire. - Constituants cellulaires- polymères biologiques Acides nucléiques. Déformations longitudinales, torsion et surenroulement. Filaments d'actine. Polymérisation et réticulation, déformation de coubure. Microtubules. Instabilité dynamique. Comportement mécanique. Systèmes moteurs Myosines, dynéines, kinésines. Comportement collectif ou processif. - Membranes biologiques Liposomes et globules rouges: comportement mécanique Mobilité des protéines et lipides membranaires. Trafic intracellulaire. Adhésion. Jonctions cellulaires Approches thermodynamique et cinétique. - Mécanique cellulaire Rhéologie cellulaire : Architecture et propriétés mécaniques passives Processus actifs: étalement, traction, migration, motilité cellulaire. - Signalisation Impulsions électriques dans les cellules. Physique des particules - Mécanique quantique relativiste : Équation de Klein Gordon; Équation de Dirac; Spineurs d'énergie positive et spineurs d'énergie négative; Limite non relativiste; Introduction au formalisme décrivant l'interaction électromagnétique; Exemple d'application : calcul de la section efficace de diffusion électronpositron. - Physique des particules : Rappel sur les interactions fondamentales et les particules élémentaires; Structure du nucléon; Annihilation électron-positron; Propriétés fondamentales de l'interaction forte; Phénoménologie de l'interaction faible; Unification des interactions; Problèmes ouverts : le boson de Higgs, la masse des neutrinos, le plasma quark-gluon. Propriétés statique et dynamique des noyaux - Le noyau atomique dans son état fondamental: mesures des distributions de charge, de masse, introduction des observables de moment angulaire, de l'isospin, et de la parité, moment dipolaire magnétique et moment quadrupolaire électrique du noyau - L'émission gamma formalisme et observables expérimentales: probabilités de transition et durée de vie des états nucléaires, multipolarité et nature multipolaire des transitions gamma, distributions et corrélations angulaire, polarisation conversion interne - Le noyau atomique dans ses états excités paramétrisation de la surface nucléaire et excitations collectives : rotation et vibration des noyaux. Existence du modèle en couche déformées. Etats de la matière cosmique - Milieux dilués Propriétés physico-chimiques du milieu interstellaire. Le gaz et la poussière en millieux dilués. Diagrammes de phases. Principes de chimie hors-équilibre; équations d'évolution. Les familles de réactions. Rôle du champ de rayonnement. Bistabilité. Diagnostics. - Milieux denses Microréversibilité. Equation de Saha-Boltzmann. Equilibre de disssociation. Equation d'état à l'etl. Fluides polytropiques. Equation de Lane-Emden. Structure interne. Convection. Gaz dégénéré. Naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs.

3 Formation des structures dans l univers - Galaxies et grandes structures L Univers en expansion observations et examen des équations d'einstein. Big Bang vs. univers statique, formation des particules, relation tempsdécalage spectral. Les problèmes dits de l'horizon et de «flatness» La recombinaison, surface de dernière diffusion, observations et interprétation du rayonnement du fond cosmologique (TP prévu sur CMBFAST). Les paramètres cosmologiques et le modèle standard actuel. Matière sombre & Energie sombre et leur influence sur la formation des (grandes) structures. La ré-ionisation de l'univers. Bestiaire d'objets célestes et les processus de rayonnement dominants. Classification des galaxies. Spectre global des galaxies et les processus physiques à l'oeuvre. Evolution galactique (fusions mais aussi enrichissement chimique, relation métallicité-luminosité). Noyaux actifs de galaxies. Chauffage et refroidissement du gaz et des poussières interstellaires. Phases et répartition du milieu interstellaire dans les galaxies Sources de turbulence à grande échelle. Supernovae, vents stellaires. - Formation et évolution des étoiles Formation stellaire dans notre Galaxie. Nuages en équilibre et stabilité, masse et longueur de Jeans. Effondrement des coeurs denses, temps de chute libre. Proto-étoiles et évolution proto-stellaire. Cas des étoiles massives. Formation des étoiles multiples. Impact des jeunes étoiles sur leur environnement : jets et flots moléculaires, disques, masers, régions HII... Etoiles pré-séquence principale. Nucléosynthèse. Champ magnétique. Fonction initiale de masse des étoiles Collisions nucléaires et atomiques - Généralités- Notion de continuum L équation aux valeurs propres dans un potentiel central symétrique. Propriétés générales des solutions de l'équation radiale. Etats du continuum (développement en ondes partielles). - Formulation quantique de la diffusion potentielle : analyse en ondes partielles Amplitude de diffusion, Sections efficaces, Théorème optique. Cas des potentiels décroissants plus rapidement que 1/r (Application à la diffusion neutron-proton). Cas du potentiel Coulombien (Application à la diffusion proton-proton). - Théorie générale des collisions élastiques et inélastiques Représentations de Schrödinger et d interaction. Amplitude de transition, Equations de Lippmann-Schwinger, Opérateurs S et T. Sections efficaces. Développements perturbatifs : Séries de Born (Application à l excitation et à l ionisation d atomes par impact d'électrons). Formalisme des ondes distordues (Application à l'excitation et à l ionisation d ions par impact d ions). - Approche semi-classique de la théorie des collisions entre particules massives Approximation Eikonale. Approche semi-classique, Méthode du paramètre d impact. Sections différentielles et totales. Invariance Galiléenne de la formulation Eikonale. Résolution : développements atomiques et moléculaires.

4 Semestre 10 : Options et stage de recherche Lasers ultracourts et attosciences - Les impulsions ultracourtes. Introduction et définitions (spectre, profil, éclairement) Propagation des impulsions ultracourtes (propagation linéaire, dispersion des éléments) Sources laser femtosecondes (stabilisation de cavité, peigne de fréquence) Caractérisation spatio-temporelle des faisceaux lasers ultracourts (auto corrélation, spider, profilomètre, Shack-hartmann etc) - Amplification des impulsions ultracourtes Technique CPA. Sources paramétriques amplifiées. Propagation non linéaire (intégrale B, automodulation de phase, focalisabilité). - Harmoniques d ordres élevés et Attophysique Ionisation atomique et moléculaire en champ laser intense Génération d harmoniques d ordres élevés Génération d impulsions attosecondes Techniques de caractérisation des impulsions attosecondes Applications des impulsions attosecondes. - Cours séminaires Sources secondaires de rayonnements et de particules. Introduction à la fusion par confinement inertiel. Biophotonique - Rappels d optique les éléments du microscope - L éclairage en microscopie, - Le contraste en microscopie - Les (nano)marqueurs optiques en biologie - Les techniques de marquage pour la microscopie - Microscopies de super-localisation/super-résolution - Mesures dynamiques - Microscopies non-linéaires - Microscopies optiques sans marquage - Microscopies des tissus - Microscopies tridimentionnelles - Analyses d'image Nanophononique, nanoélectromécanique et nanosondes - Nanothermie Mécanismes physiques de transfert et génération de phonons cohérents aux micro- et nano- échelles dans les semi conducteurs et les isolants; Outils et des modèles de prédiction, nouvelles métrologies de proximité pour l'analyse du transport énergétique dans les nanostructures 2D (nanofilms) et 1 D (nanofils) uniques, aux interfaces et en champ proche. - Acoustique Picoseconde Génération et détection de phonons cohérents de hautes fréquences par impulsions laser femtosecondes, applications en sciences des matériaux et biologie. - Nanoelectromécanique Introduction aux systèmes nano électro mécaniques et aux techniques de détection et actuation par transport électronique. Concepts de transport quantique mésoscopique : blocage de Coulomb dans des transistors à un électron (SET) Description des SET couplés aux oscillateurs mécaniques de taille manométrique. Utilisation comme détecteur de position ou pour la manipulation quantique. - Nanoélectronique: Analyse de défaillance aux nano-échelles en nanoélectronique; Techniques d analyse mises en oeuvre en nanoélectronique pour étudier les mécanismes physiques de défaillances de composants de taille nanométrique.

5 Structure nucléaire - Modèles de champ moyen et au-delà Seconde quantification. Approximation de Hartree-Fock. Description des corrélations d'appariement et vibrationnelles au-delà du champ moyen. Applications (propriétés statiques des noyaux pair-pairs, spectre de basse énergie des noyaux sphériques et déformés, barrières de fission). - Modèle en couches Concepts avancés du moment angulaire en mécanique quantique. Principes de base du modèle en couches (avec interaction résiduelle). Interaction nucléon-nucléon dans le vide et interactions effectives. Applications (réactions de transfert, transitions électromagnétiques, décroissance beta et double-beta). Etude théorique des atmosphères planétaires - Introduction aux atmosphères des planètes du Système solaire. Intérêt et méthodes d investigation des atmosphères. - Présentation des principales notions physiques et chimiques liées aux atmosphères planétaires : La pression (loi barométrique, homosphère et hétérosphère) La température (corps noir, température effective, gradient adiabatique) Les processus d'échappement (échappement thermique, exosphère) Le transfert de rayonnement (absorption UV-visible, photolyses, diffusion Rayleigh) L'équation de continuité (loi de Fick, diffusions moléculaire et turbulente, équilibre photochimique, état stationnaire) La chimie atmosphérique (loi d'arrhénius, enthalpie, décomposition thermique) Les changements de phase (vapeur saturante, taux de condensation, réservoirs). - Les principales méthodes d'observation des atmosphères planétaires Exemple des spectres IR et millimétriques des planètes. - Introduction à la modélisation des atmosphères et à la simulation d'un spectre observationnel. Travaux pratiques. - La découverte des exoplanètes : observation et études théoriques. - Etude de cas : application des notions précédents à l'étude détaillée de l'atmosphère de Titan. Travaux dirigés. Méthodes physiques de l observation astronomique - Processus et Transfert de Rayonnement Equation du transfert. Solutions formelles. Cas gris. Moyennes d opacités. Approximation de diffusion. Approx. Eddington. Approximation LVG. Méthode Monte Carlo. La diffusion.equation de S-Milne. Effet Compton et CI. Rayonnement free-free.rayonnement synchrotron. Hautes-énergies. - Méthodes physiques de l'observation Fondamentaux de l observation astronomique. Propagation des ondes - Emission atmosphérique. Détection, récepteurs. Théorie des antennes. Méthodes d'observation (démonstrations pratiques) Traitement du signal (1) : Interférométrie mm/submm. Traitement du signal (2) : Spectroscopie/Diagnostics spectroscopiques (continuum, raies spectrales, Coef. d Enstein).