Physique de la matière condensée

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La physique de la matière condensée est la branche de la physique qui étudie les propriétés macroscopiques de la matière que nous sommes susceptibles de rencontrer à la surface de la Terre (solides, liquides, verres, polymères, etc.). Plus précisément, elle s'intéresse aux phases « condensées » qui apparaissent dans les systèmes où le nombre de constituants est grand et les interactions entre eux sont fortes. Les physiciens de la matière condensée cherchent à comprendre les comportements de ces phases en utilisant les lois de la physique. En particulier, ces dernières incluent les lois de la mécanique quantique, de l'électromagnétisme et de la physique statistique.

Pour des raisons historiques et méthodologiques, le champ de la discipline est limité aux systèmes qui peuvent être étudiés à l'intérieur d'un laboratoire, ce qui exclut, par exemple, la matière la plus dense de l'univers observable, à savoir les étoiles à neutrons qui relèvent plutôt de l'astrophysique.

Les phases condensées les plus familières sont les solides et liquides, tandis que des phases condensées plus exotiques inclues la phase supraconductrice manifestée par certains matériaux à base température, les phases ferromagnétique, antiferromagnétique et ferrimagnétique des spins sur un réseau cristallin d'atomes, les verres de spins, liquide de spins, ainsi que le condensat de Bose-Einstein, découvert dans des systèmes d'atomes ultra-froids et ayant valu le prix Nobel de 2001 à Eric Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl Wieman. L'étude de la physique de la matière condensée implique des méthodes de physique théorique pour développer des modèles mathématiques qui aident à la compréhension de comportement physique.

La diversité des systèmes et phénomènes à étudier fait de ce domaine le champ le plus actif de la physique contemporaine : un tiers de tous les physiciens Américains s'identifient comme physicien de la matière condensée[1] et la Division de la Physique de la Matière Condensée (Division of Condensed Matter Physics) est la plus grande division de la Société américaine de physique[2]. Ce domaine recoupe celui de la chimie, de la science des matériaux, de la nanotechnologie ainsi que celui de la physique atomique et de la biophysique. La physique théorique de la matière condensée partage d'importants concepts et méthodes avec celle de la physique des particules et de la physique nucléaire[3].

Plusieurs sujets en physique comme la cristallographie, la métallurgie, les déformations élastiques, le magnétisme, etc., étaient considérés comme des domaines distincts jusque dans les années 1940, lorsqu'ils furent regroupés sous l’appellation de physique du solide. Autour des années 1960, l'étude des propriétés des liquides fût ajoutée à la liste, formant la base de qu'on appellât alors physique de la matière condensée[4]. Dans les années 1950 et 1960, un grand nombre de théories et de concepts développés pour l'étude des solides pouvaient tout aussi bien s'appliquer à l'étude des fluides. Notamment, les propriétés du fluide quantique constitué par les électrons de conduction d'un métal étant très similaires à celle d'un fluide constitué d'atomes, ainsi que le montre la forte ressemblance entre la supraconductivité conventionnelle et la superfluidité de l'hélium 3.

Selon le physicien Philip Warren Anderson, le terme "matière condensée" fût inventé par Volker Heine et lui-même quand ils ont changé le nom de leur groupe de recherche au Laboratoire Cavendish de Cambridge de Solid state theory à Theory of Condensed Matter en 1967[5]. Ils trouvèrent que ce nouveau nom n'excluait pas leurs intérêts pour l'étude des liquides, de la matière nucléaire, etc[6]. Même si Anderson et Heike ont aidé à populariser le terme "matière condensée", ce dernier était déjà présent en Europe depuis quelques années, surtout sous la forme d'un journal publié par Springer-Verlag en anglais, français et allemand dont le titre était "Physics of Condensed Matter", lancé en 1963[7].

Les questions de financement ainsi que la politique associée à la Guerre Froide des années 1960 et 1970 étaient aussi des facteurs ayant mené quelques physiciens à préférer le nom "matière condensée", qui met mieux l'emphase sur les points communs des problèmes scientifiques rencontrés par les physiciens tranvaillant sur les solides, les liquides, les plasmas et d'autres matières complexes, alors que le terme "physique de l'état solide" était plus souvent associé aux applications industrielles des métaux et des semi-conducteurs[8]. Les Laboratoires Bell furent parmi les premières institutions à produire de la recherche en physique de la matière condensée[4].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Condensed Matter Physics Jobs: Careers in Condensed Matter Physics [Physics Today Jobs] », (consulté le 18 juin 2018)
  2. (en) « History of Condensed Matter Physics », sur www.aps.org (consulté le 18 juin 2018)
  3. (en-US) « Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics », Physical Review Letters,‎ (lire en ligne)
  4. a et b « Wayback Machine », (consulté le 18 juin 2018)
  5. (en) « Philip Anderson | Department of Physics », sur phy.princeton.edu (consulté le 18 juin 2018)
  6. (en-US) « World Scientific Newsletter November 2011 Page 2 (World Scientific) », sur www.worldscientific.com (consulté le 18 juin 2018)
  7. (de) Physics of Condensed Matter, Springer-Verlag, (lire en ligne)
  8. (en) Joseph D. Martin, « What’s in a Name Change? », Physics in Perspective, vol. 17, no 1,‎ , p. 3–32 (ISSN 1422-6944 et 1422-6960, DOI 10.1007/s00016-014-0151-7, lire en ligne)

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