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Master M2 : Physique de la matière condensée. Structure de la matière condensée Sylvain Ravy Synchrotron SOLEIL L’Orme des merisiers, S t Aubin 91192 Gif/Yvette ravy@synchrotron-soleil.fr www.lps.u-psud.fr/Utilisateurs/ravy/. Plan du cours. Structure de la matière condensée (S.R.)

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master m2 physique de la mati re condens e
Master M2 : Physique de la matière condensée

Structure de la matière condensée

Sylvain Ravy

Synchrotron SOLEIL

L’Orme des merisiers, St Aubin

91192 Gif/Yvette

ravy@synchrotron-soleil.fr

www.lps.u-psud.fr/Utilisateurs/ravy/

plan du cours
Plan du cours
  • Structure de la matière condensée (S.R.)
          • Ordre, symétrie, applications
          • Structure des cristaux
  • Interaction matière-quanton (S.R.)
          • Rayons X, neutrons, électrons
  • Application aux matériaux désordonnés (B.D.)
          • Cristaux liquides
          • Polymères
bibliographie 1
Bibliographie-1
        • Ouvrages généraux
  • N.W. Ashcroft & N.D. Mermin. Solid State physics, HRW International Editions (1976). (Chap. 4,5,6,7, 24, 33)
  • C. Kittel. Physique de l’état solide. Fr:Dunod (1995) En:Wiley (2004) (Chap. 1,2,3)
  • P.M. Chaikin & T. Lubenski. Principles of condensed matter physics. Cambridge University Press (1995).
  • Feng D., Jin G. Introduction to condensed matter physics. World Scientific (2005).

Physique des solides  Physique de la matière condensée

bibliographie 2
Bibliographie-2
        • Ouvrages spécialisés
  • J. J. Rousseau. Cristallographie géométrique et radiocristallographie, Dunod, Paris 2000.
  • A. Guinier. Les rayons X, Que sais-je, PUF.
      • La structure de la matière : du ciel bleu à la matière plastique Hachette, Paris 1980.
      • X-ray diffraction. Dover Publication 1963.
  • B. K. Vainshtein. Fundamentals of Crystals (Vol. 1,2) Springer Verlag 1994.
  • J. Als-Nielsen & D. MacMorrow. Element of Modern x-ray crystallography.
    • Wiley, N.Y. 2000.
  • C. Janot. Quasicrystals: a primer. Oxford Science publications 1994.
  • G. Venkataraman. Beyond the crystalline state. Springer Verlag 1989.
  • G.L. Squires. Introduction to the theory of thermal neutron scattering. Dover publications 1976.
  • J. Sivardière. La symétrie en mathématiques, physique et chimie, PUG, Grenoble 1995.
  • J. F. Nye. Propriétés physique des cristaux. Dunod, Paris 1981.
  • Cours HERCULES, Editions de physique, 1994
historique 1 la pr histoire
Historique-1La préhistoire
  • 1611 : Johannes Kepler
      • « L’Étrenne ou la neige sexangulaire »
      • Symétrie 6 des flocons due à de petits sphères
      • (Comme les alvéoles des ruches)
      • -> Empilements compacts cubiques et hex.
  • 1665 : Robert Hooke
      • Dans « Micrographia » suggère l’existence
  • de sphéroïdes qui s’empilent pour former des cristaux
  • 1669 : Nicholas Steno
      • Loi de constance des angles… dans le quartz.
historique 1 la classification
Historique 1 : La classification
  • 1772 : J.B. Romé de l’Isle
  • Loi générale de constance des angles
  • 1781 : René-Just Haüy
      • Forme extérieure d’un cristal reflète
      • sa structure intérieure périodique.
      • « Père » de la cristallographie.
  • 1849 : Auguste Bravais
      • Etablit l’existence de 14 types de réseaux
  • ~1880 : Sohnke puis Schönfliess et Fedorov
          • Trouvent les 230 groupes d’espace

Et aussi… Pasteur (asymétrie)

historique 2 les d couvertes
Historique 2 : Les découvertes
  • 1895 : Wilhelm Conrad Röntgen
  • Découvre les rayons X.
  • 1896 : Henri Becquerel
      • Découvre la radioactivité de l’uranium.
  • 1897 : Joseph John (J.J.) Thomson
  • Découvre l’électron, mesure q/m.

Le tube de Crookes

Main (baguée)

de

Mme Röntgen

Film impressionné

par un sel d ’U

Mort de la physique classique

historique 3 les preuves
Historique 3 : Les preuves
  • Les rayons X sont des ondes
  • Le cristal est un arrangement
    • périodique d’atomes
  • Les électrons sont des ondes
  • 1912 : Max Von Laue, Friedrich, Knipping
  • Première expérience de diffraction des rayons X.
  • 1913 : William Henry et William Lawrence Bragg
      • Détermination des première structures cristallines.
      • NaCl, ZnS, FeS2, CaF2, CaCO3…
  • 1927 : Davisson et Germer :
      • Diffraction des électrons

ZnS : blende

CuSO4

historique 4 la biologie
Historique 4 : La biologie
  • 1926-35 : J.B. Sumner, J.H. Northrop, W. S. Stanley
  • Cristallisation d’enzymes, et du virus de la mosaïque du tabac.
  • 1953 : James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins
  • Rosalind Franklin
      • La double hélice de l’ADN.
  • 1960-62 : John Kendrew, Max Perutz
  • Structure des macromolécules biologiques (myo/hémoglobine).

Virus

x

376000

Cliché X

de l’ADN

(R.F.)

ADN

hémoglobine

historique 5 les grands instruments les centres de rayonnement synchrotron
Historique 5 : Les grands instrumentsLes centres de rayonnement synchrotron
  • Rayonnement dû à l’accélération d’une particule chargée relativiste
          • Liénard 1898 ; Iwanenko et Pomeranchuk 1944
  • 1947 : F. Elder, R. Langmuir et H. Pollock

e-

a

  • Rayonnement synchrotron :
  • brillance et accordabilité
  • 1968 Tantalus 1, WI USA, 1971 LURE, Orsay
  • 30 centres de rayonnement synchrotron
  • dans le monde (10 Asie, 10 Europe, 10 Amériques)
  • Sources de 3e génération (ESRF, APS, SpRing8)
  • 2007 : Synchrotron-SOLEIL, ST Aubin.
  • Sources de 4e génération (XFEL): USA, Japon, Europe

1947

Première observation

de lumière synchrotron

70 MeV

GE, Schenectady, NY

  • 1912 : tube de coolidge
  • 1960 : tube à anode tournante

ESRF (6 GeV)

SOLEIL (2,75 GeV)

historique 6 les grands instruments les piles neutrons
Historique 6 : Les grands instrumentsLes piles à neutrons
  • 1932 : James Chadwick
    • Découverte du neutron (Nobel 1935)
  • 1942 : Enrico Fermi (Nobel 1938)
    • Propose d’utiliser les neutrons pour étudier les solides
  • 1944 : Réacteur d’Oak Ridge TN, USA
    • 1945 : Première expériences de diffraction de neutrons sur une poudre NaCl
    • 1950 : Diffusion magnétique des neutrons, E. Wollan & C. Schull (Nobel 1994)
    • 1955 : Diffusion inélastique des neutrons, Bertram Brockhouse (Nobel 1994)
          • 1971 Institut Laue-Langevin, ILL (Grenoble)
      • 1974 Laboratoire Léon Brillouin, LLB, Saclay
  • Interaction avec tous les noyaux
  • Interaction magnétique
  • Energie ~300 K : dynamique
  • Sources pulsées:
  • SNS (USA)
  • JNSN (Japan)
  • ESS ?
historique 7 d veloppements et surprises
Historique 7 : Développementsetsurprises
  • 1960-70 : Méthodes directes
  • Jerome Carle et Herbert Hauptman (Nobel 1985)
  • 1960-1970 : Cristaux incommensurables
      • Structures apériodiques
  • 1984 : Les quasicristaux
      • D. Schechtman, I. Blech, D. Gratias, et J. W. Cahn
          • Structures non périodiques de symétrie inderdite
  • 1982 : Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (Nobel 1986)
          • Le microscope à effet tunnel (STM) -> Nanophysique
          • 1985 : Fullerènes (Kroto, Curl, Smalley), 1988 : Magnétorésistance géante (A. Fert)

Diffraction

par un

quasicristal

AlNiCo

décagonal

Quasicristal

dodécaédrique

Surface

de Si(111)

Atomes de Fe

sur Cu(111)