Master M2 : Physique de la matière condensée

1. 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/

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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.

6. 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)

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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)

11. 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 ?

12. 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)