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Les solides
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Les solides

Edifices atomiques

Un solide est constitué d’un assemblage d’atomes. Chaque atome est composé d’un noyau tout petit et chargé positivement, et de plusieurs électrons dont les fonctions d’ondes sont autour du noyau. Dans la majorité des cas, les atomes dans les solides sont très bien organisés, un peu comme des oranges dans une caisse ou comme un Rubik’s cube. Leur arrangement périodique fait l’objet de nombreuses études dans le domaine de la cristallographie. Pour se représenter les tailles et les nombres en jeu, un petit cube de cuivre de 1 centimètre de côté contient à peu près 10 puissance 23 atomes, soit cent mille milliards de milliards d’atomes et chaque atome est distant de ses voisins d’à peu près 2 dix-milliardièmes de mètres.

Un monocristal solide supraconducteur à l’échelle du millimètre, Crédits : D. Colson, DSM/IRAMIS/SPECL’empilement cristallin des atomes dans ce solide, Crédits J. Bobroff, LPS

Le poids d’un solide est lié pour l’essentiel à ses noyaux, bien plus lourds que les électrons. Par contre, la plupart des autres propriétés de la matière est liée aux électrons, à leur nature, à leur nombre, et à leur façon de se déplacer ou non dans le solide. L’électron étant un objet quantique, les propriétés du solide sont donc en général liées à la physique quantique des électrons qui le composent.

C’est par exemple le cas de la résistance dans un métal. La compréhension de toutes ces propriétés a été un des grands succès de la physique quantique au XXème siècle. Les physiciens du solide ont en effet réussi le tour de force d’appliquer les lois de la quantique à ces milliards de milliards d’atomes et d’électrons pour en déduire les lois physiques auxquelles obéit la matière. Cette compréhension intime de ce qu’est un solide a débouché entre autres sur la découverte de l’effet transistor, qui a ouvert la voie à toute l’électronique et l’informatique moderne. Cette physique des solides et de la matière condensée est actuellement un des sujets les plus étudiés en laboratoire, à la fois pour les questions non résolues qu’elle continue de poser et pour ses nombreuses applications technologiques.

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