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 électronique 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, fluctuations universelles de conductance et localisation électronique, ou la physique toute récente du graphène, cristal parfaitement bidimensionnel où la dynamique des électrons est celle de particules sans masse (prix Nobel 2010). On discutera les applications technologiques associées à des différents phénomènes.
Par les analogies qu’il suggère, ce cours sera aussi l’occasion d’ouvertures sur d’autres domaines de la physique comme la propagation de la lumière en milieu désordonné, ou le chaos quantique.

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 :
analogies entre la propagation des électrons et celle de la lumère
La physique des électrons sous très fort champ magnétique : l’effet Hall quantique et ses applications
Interférences quantiques dans les systèmes désordonnés
Le graphène : une physique nouvelle et un matériau d’avenir
Un bref détour vers la physique du chaos quantique

Niveau requis : PHY432 – Physique quantique et statistique

Dernière mise à jour : mardi 19 mars 2013