En second semestre de deuxième année, le cours de physique de 18 blocs comportera la seconde partie de la Mécanique quantique (7 blocs), suite naturelle du cours de Tronc commun, et la Physique statistique (11 blocs).

La Mécanique quantique et la Physique statistique sont les deux piliers de la physique moderne.

La Physique quantique est la théorie fondamentale des processus à l'échelle microscopique. Elle a permis de déterminer la structure des noyaux, des atomes, des molécules, d'élucider la nature de la lumière, et elle constitue un outil indispensable pour comprendre la physique d'aujourdhui, des particules élémentaires jusqu'aux étoiles et au Big Bang. Son impact économique est tout aussi important : la plupart des produits de haute technologie (électronique, lasers et optronique, nanotechnologies, télécommunications) sont directement issus de concepts quantiques.

Le cours de Physique quantique, enseigné par Manuel Joffre, est dans le prolongement direct du cours d'introduction à la physique quantique proposé en tronc commun (PHY311). Il commence par la présentation du formalisme de base et son illustration sur quelques systèmes simples. Il aborde ensuite les problèmes à plusieurs degrés de liberté, ce qui mène directement à l'étude de la quantification des moments cinétiques et au concept de spin. Ces concepts sont illustrés par des exemples tirés de la physique atomique et de la résonance magnétique nucléaire, les états intriqués. Le cours se termine par l'étude des systèmes de particules identiques et du principe de Pauli, qui constitue un lien naturel avec le cours de physique statistique.

L'objet de la Physique statistique est d'étudier le comportement collectif de systèmes contenant de très grands nombres de particules. La question fondamentale est d'établir un pont entre les comportements macroscopiques des matériaux et les lois microscopiques qui gouvernent l'évolution de leurs constituants. Tous les solides sont faits d'électrons et d'ions, particules quantiques en interaction Coulombienne ; pourtant certains sont des isolants, d'autres des conducteurs ou des semi-conducteurs, d'autres encore présentent des phases supraconductrices. A l'origine de toutes ces différences on trouve les effets collectifs ; leur compréhension est donc fondamentale pour toute la physique des solides, depuis les composants électroniques jusqu'aux mémoires magnétiques. Dès que l'on traite de grands nombres de constituants, il apparaît des phénomènes nouveaux comme l'apparition des formes, les structures ordonnées, des problèmes de dynamique liés à l'irréversibilité, la vie, qui nécessitent leur propre cadre conceptuel. Initialement développée pour expliquer la thermodynamique, la physique statistique a évolué au cours de ces dernières années vers le modélisation des systèmes complexes, dans lesquels les « particules » peuvent être des agents économiques, des neurones, des « bits » d'information...

Le cours de Physique statistique, enseigné par Marc Mézard et Jean-Philippe Bouchaud, présente les bases de cette matière : description probabiliste, entropie statistique, lien avec la thermodynamique. Puis il aborde la question des particules identiques et les conséquences du principe de Pauli. Les concepts sont illustrés par des exemples allant de la physique des solides (métaux, semi-conducteurs) à l’étude des propriétés thermiques du rayonnement, mais également par des comportements collectifs de systèmes complexes hors de la physique, allant des biomolécules à la théorie de l’information et aux agents en interactions. Gilles Montambaux succédera à Marc Mézard à partir de 2013.


Références bibliographiques :

Mécanique quantique par Jean-Louis Basdevant et Jean Dalibard (2002)
Problèmes quantiques par Jean-Louis Basdevant et Jean Dalibard (2004)
Table des matières
Ouvrages disponibles auprès des Editions de l'Ecole Polytechnique

Physique statistique par Antoine Georges et Marc Mézard
Physique statistique - Exercices et corrigés par Claudine Hermann

Dernière mise à jour : mardi 23 avril 2013