La physique du solide est la branche de la physique qui s'occupe de l'étude de la matière lorsqu'elle est dans un état de basse énergie, appelée état solide, en utilisant des théories physiques telles que la mécanique quantique, la physique statistique, la thermodynamique, l'électromagnétisme et la cristallographie.
A l'état solide, l'énergie d'attraction intermoléculaire est inférieure à l'énergie thermique, donc les molécules peuvent difficilement vibrer autour de positions plus ou moins fixes. Certains solides sont amorphes au niveau moléculaire, tandis que d'autres ont une structure plus ordonnée, comme les cristaux..
Quelques exemples de matériaux solides sont le sable de silice, le verre, le graphite (charbon minéral), le sel ordinaire, le sucre raffiné, le fer, le cuivre, la magnétite, le quartz et bien d'autres.
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Les matériaux solides ont la caractéristique principale que, dans des conditions normales, c'est-à-dire s'ils ne sont pas soumis à de fortes sollicitations extérieures, ils conservent leur volume et leur forme..
Cela contraste avec les liquides qui, bien qu'ils puissent conserver leur volume, changent de forme en s'adaptant au récipient qui les contient. Le contraste est encore plus grand avec les gaz, car ils peuvent être comprimés ou dilatés en modifiant leur volume et leur forme..
Cependant, les solides peuvent faire varier leur volume lorsqu'ils sont soumis à des variations de température suffisamment larges pour avoir des effets notables, mais sans transition de phase vers un autre état de la matière..
Les solides peuvent être amorphes dans leur structure moléculaire interne. Par exemple, le verre est un matériau amorphe, même considéré par beaucoup comme un liquide surrefroidi. Cependant, le quartz et le diamant ont une structure cristalline, c'est-à-dire que leurs atomes suivent des arrangements réguliers et spatialement périodiques..
La physique du solide étudie la relation entre les propriétés à l'échelle macroscopique (des milliers ou des millions de fois supérieures à l'échelle atomique) et les propriétés à l'échelle moléculaire ou atomique..
Dans un solide, les atomes sont très proches les uns des autres et l'interaction entre eux détermine leurs propriétés à une échelle macro, telles que leurs caractéristiques mécaniques: rigidité et ductilité, ainsi que leurs propriétés thermiques, magnétiques, optiques et électriques..
Par exemple, la conductivité, la capacité thermique et la magnétisation sont des propriétés macroscopiques des solides qui dépendent directement de ce qui se passe à l'échelle moléculaire ou atomique..
Les semi-conducteurs sont un exemple clair de l'importance de la physique des solides. Comprendre leurs propriétés au niveau microscopique permet le développement de dispositifs tels que des transistors, des diodes, des circuits intégrés et des LED, pour ne citer que quelques applications..
En fonction des conditions de pression et de température, ainsi que des processus suivis lors de leur formation, les matériaux solides acquièrent une certaine structure microscopique..
Par exemple, des matériaux aussi différents que le graphite et le diamant sont composés uniquement d'atomes de carbone. Mais leurs propriétés sont complètement différentes, car bien qu'elles soient composées du même type d'atomes, leurs structures microscopiques diffèrent énormément..
Les spécialistes de la métallurgie savent qu'à partir du même matériau, avec des traitements thermiques différents, des résultats très différents sont obtenus dans la fabrication de pièces, comme les couteaux et les épées. Différents traitements conduisent à différentes structures microscopiques.
En fonction de leur formation, les solides peuvent présenter essentiellement trois types de structures microscopiques:
La physique des solides est basée sur des principes fondamentaux pour expliquer les propriétés des matériaux solides, comme la conductivité thermique et la conductivité électrique..
Par exemple, en appliquant la théorie cinétique aux électrons libres dans un métal, ils sont traités comme s'ils étaient un gaz..
Et sous l'hypothèse que les ions forment un substrat immobile, il est possible d'expliquer à la fois la conductivité électrique et la conductivité thermique des métaux. Bien que, dans la version classique de ce modèle, la conductivité thermique des électrons libres soit supérieure à celle obtenue à partir de mesures dans des matériaux conducteurs..
L'inconvénient est résolu en introduisant des corrections quantiques dans le modèle d'électrons libres d'un solide conducteur. De plus, si on suppose qu'elles suivent la statistique de Fermi-Dirac, alors les prédictions théoriques concordent plus précisément avec les mesures expérimentales..
Cependant, le modèle d'électrons libres ne peut pas expliquer la conductivité thermique des solides autres que les métaux..
Dans ce cas, l'interaction des électrons avec le réseau cristallin doit être prise en compte, qui est modélisée par un potentiel périodique dans l'équation de Schrödinger. Ce modèle prédit les bandes de conduction des électrons dépendant de l'énergie et explique la conductivité électrique dans les solides semi-conducteurs, un type de solide intermédiaire entre l'isolant et le métal conducteur..
La physique du solide a évolué au point qu'elle a permis la découverte de nouveaux matériaux tels que nanomatériaux solides aux propriétés uniques et extraordinaires.
Un autre exemple de progrès de la physique des solides est le développement de matériaux bidimensionnels ou monocouches, suivi de diverses applications telles que les cellules photovoltaïques et le développement de circuits intégrés à semi-conducteurs..
L'exemple classique d'un matériau bidimensionnel est le graphène, qui n'est rien d'autre que du graphite monocouche et qui a été obtenu pour la première fois en 2004.
D'autres exemples de solides bidimensionnels sont: le phosphorène, le plumben, le silicène et le germacène.
La supraconductivité a été découverte en 1911 par le Néerlandais Kamerlingh Onnes (1853-1926) lorsqu'il a soumis des matériaux conducteurs tels que le mercure, l'étain et le plomb à de très basses températures (de l'ordre de 4K)..
La supraconductivité a des applications technologiques importantes, telles que les trains à lévitation magnétique, à condition qu'elle puisse être obtenue à des températures élevées (idéalement à température ambiante).
La physique du solide est dans cette recherche de supraconducteurs, c'est-à-dire une température élevée au-dessus de la température de l'azote liquide (77 K), une température relativement facile et bon marché à obtenir. À ce jour, le supraconducteur à température la plus élevée est un solide céramique qui atteint cet état à une température de 138 K ou -135 ° C..
Les solides fortement corrélés sont des composés fermioniques lourds qui ont des propriétés inhabituelles et un grand potentiel technologique. Par exemple, ils peuvent être manipulés pour passer des isolants aux conducteurs en passant par les champs magnétiques.
Le développement de ce type de solides a également permis aux dispositifs de stockage d'informations magnétiques d'avoir augmenté leur capacité de manière exponentielle au cours des dernières décennies..
Exemples de solides.
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