Télécharger le syllabus - Master de physique et astrophysique
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La première année du master de physique et astrophysique, parcours physique, assure une formation théorique et expérimentale de haut niveau en physique. Afin d’offrir aux étudiants un vaste choix de formations accessibles en deuxième année de master, seules quelques matières sont imposées. Le choix des options devra bien évidemment être effectué en fonction du M2 visé.! La plupart des étudiants se destinent aux M2 3N, physique de la matière et ingénierie de la matière, mais d’autres peuvent intégrer les M2R et M2PRO en astrophysique, énergétique, radiophysique et imagerie médicale. Une passerelle vers un M2 enseignement en vue d’intégrer la préparation à l’agrégation est possible.! ! - Une part des travaux dirigés dans la quasi-totalité des unités d’enseignement (UE) est consacrée à la modélisation des problèmes physiques sur ordinateur. Les outils numériques sont largement utilisés soit en complément, soit en soutien des cours et travaux dirigés conventionnels.! - La part de l’enseignement expérimental (projet LabView, instrumentation, travaux pratiques) est obligatoire pour tous les étudiants! - Un stage d’environ deux mois est effectué au sein d'un laboratoire de recherche. Il se termine par un rapport écrit et une soutenance devant un jury.! ! ! ! ! Premier semestre du M1 de physique! ! ! 4 choix parmi 7 UE (24h CM et 24h TD chacune)! Mécanique quantique! Physique statistique! Physique des solides! Physique atomique et moléculaire! Physique non linéaire! Mécanique des fluides/transfert hors équilibre! Mesures des rayonnements nucléaires et radioprotection! ! ! + deux UE obligatoires! Méthodes numériques! Instrumentation et mesure physique ! Mécanique quantique (24h Cours, 24h TD)! ! Objectifs:! Formation généraliste de mécanique quantique indispensable pour la compréhension de domaines essentiels de la physique moderne. Il est destiné à former des étudiants désirant s’orienter vers des études théoriques ou expérimentales en astrophysique, physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique atomique et moléculaire.! ! Contenu:! 1- Symétries en Mécanique Quantique : opérations de symétries et constantes du mouvement, transformations continues et générateurs, symétries discrètes (applications à la physique des solides).! 2- Particules identiques : dégénérescence d’échange, principe de symétrisation, bosons et fermions, principe d’exclusion de Pauli, déterminant de Slater. ! 3- Composition des moments cinétiques : opérateurs scalaires et vectoriels, couplage de deux moments cinétiques : illustration par le couplage spin-orbite puis généralisation! 4- Compléments sur les perturbations indépendantes du temps : méthode variationnelle, perturbation statique d'un système à deux niveaux (transition Landau-Zener), rappel sur les perturbations d'un niveau dégénéré, d'un niveau non dégénéré, interprétation en terme de transition virtuelle.! 5- Corrélations quantiques : Introduction à la controverse Einstein/Bohr, notion d’états intriqués, paradoxe EPR, Information quantique, cryptographie quantique! 6- Perturbations dépendantes du temps : méthode de la variation des constantes, représentation d’interaction, traitement iteratif, perturbation sinusoïdale ou constante, application à l’interaction rayonnement-matière dans l’approximation semi-classique, quasi-continuum d’états et règle d’or, approximation adiabatique et phase de Berry! 7- Théorie de la diffusion en mécanique quantique : Théorie formelle des collisions, introduction élémentaire aux fonctions de Green, formule de Lippmann-Schwinger, approximation de Born, rôle de la dimensionalité et du confinement, développement en ondes partielles, concept de longueur de diffusion! 8- Supersymétrie : Introduction à la notion de superpotentiel, aux potentiels isospectraux et transparents.! ! Les travaux dirigés illustreront les différents concepts abordés en cours sur des exemples de physique contemporaine empruntés notamment aux domaines de la physique de la matière condensée, de la physique atomique, et de la physique nucléaire.! ! ! Pré-requis: Cours de Mécanique Quantique et bases mathématiques de niveau licence de physique! ! Préparation à d’autres enseignements:! • Niveau M1 pour les cours de physique statistique, physique du solide, physique atomique et moléculaire, interaction rayonnement-matière, propriétés électroniques de la matière, physique des semiconducteurs.! • Niveau M2 pour les parcours de physique de la matière et 3N ! ! Physique statistique (24h Cours, 24h TD)! Objectifs du module :! Ce cours s'articule sur trois volets de volumes horaires relativement équivalents destinés à former les étudiants désirant s'orienter vers des études théoriques ou expérimentales en physique de la matière condensée, physique des solides, physique statistique et physique du vivant.! ! Contenu:! 1) Statistiques quantiques :! ! Bosons:! ! ! - Condensation de Bose-Einstein! ! ! - Phonons et chaleur spécifique ! ! ! - Interaction matière-rayonnement et loi de Kirchhoff ! ! ! ! ! ! - Superfluidité : critère de Landau, modèle à deux fluides! ! Fermions :! ! ! - Propriétés thermodynamiques du gaz de Fermi, électrons dans les solides! ! ! - Gaz relativistes ! ! ! - Corps gravitants, naines blanches ! ! 2) Description macroscopique du transport! ! ! - Réponse linéaire! ! ! - Relations d'Onsager! ! ! - Conduction et diffusion! ! 3) Processus Stochastiques! ! ! - Équation maîtresse, processus de Markov, croissance de l'entropie! ! ! - Mouvement brownien, exemple de relation fluctuation-dissipation! ! ! - Équations de Langevin et de Fokker-Planck! ! ! ! ! ! - Relaxation, approche de l'équilibre ! ! ! ! ! Pré-requis :! Les étudiants doivent avoir suivi les modules de Mécanique Analytique (2L51PY2), Mécanique des Milieux Continus (2L51PY3), Physique Statistique (2L61PY1) et Mécanique Quantique (2L50PY1) du L3 de Physique ou des cours équivalents à chacun de ces modules.! ! Préparation à d’autres enseignements :! • Niveau M1 pour les cours de physique du solide, physique atomique et moléculaire, physique et biologie (physique de la cellule), propriétés électroniques de la matière, physique des semiconducteurs.! • Niveau M2 pour les parcours de physique de la matière et 3N, Energétique et transfert! ! ! ! ! Physique des solides (24h Cours, 24h TD)! ! ! Objectifs : Formation de base en physique des solides. ! ! Contenu :! ! 1. Cohésion de la matière et aspects énergétiques! Interactions électromagnétiques et effets quantiques! Liaisons ionique, covalente, métallique, Van der Waals, hydrogène...! Relations microscopique-macroscopique (cohésion, stabilité, malléabilité, compressibilité, dilatation...)! ! 2. Symétries et structures! Groupes de symétrie. Réseaux réciproques.! Diffusion élastique et diffraction! Effets des symétries sur les propriétés physiques! Effets de taille finie ; surfaces et défauts! ! 3. Dynamique atomique! Théorème de Floquet-Bloch.! Approche classique : d'un oscillateur à N oscillateurs couplés.! Modes propres ; dispersion, densités d'états ;! Approche quantique : phonons et gaz de bosons! Capacité calorifique (Einstein et Debye)! Diffusion inélastique! ! 4. Dynamique électronique! Approximation adiabatique! Approximation classique. Gaz de Fermi.! Liaisons fortes : de l'atome au solide.! Structures de bandes électroniques : isolants, semiconducteurs et conducteurs.! Propriétés optiques et électroniques.! ! ! Pré-requis : les cours de base d’une licence de physique sont nécessaires, notamment mécanique quantique, ondes et physique statistique.! ! Préparation à d’autres enseignements : ! ! • Niveau M1 : physique quantique contemporaine, interaction rayonnement-matière, propriétés électroniques de la matière, physique des semiconducteurs! • Niveau M2 : parcours 3N et la plupart des cours du parcours physique de la matière. Plus généralement, tout cursus impliquant des bases en physique de la matière condensée, physique des matériaux, etc.! ! ! ! Physique atomique et moléculaire (24h Cours, 24h TD)! ! Objectifs:! Ce cours a un double objectif: (1) Développer une theorie relativiste et quantique (Pauli/Breit-Pauli) applicable aux phénomènes atomiques et moléculaires, (2) Introduction aux effets principaux (structure fine, Zeeman, Stark, couplage hyperfin etc.) dans des atomes à 1 électron; compréhension de la structure électronique des atomes à N électrons; analyse formelle de la liaison moléculaire; introduction aux vibrations et rotations des molécules diatomiques à N électrons. ! Notions optionelles: symétries atomiques et moléculaires (groupes de Lie), opérateurs tensoriels sphériques, théorème de Wigner-Eckhart.! ! Contenu:! ! I. II. III. Introduction phénoménologique! Bases de la mécanique quantique pour atomes et molécules! 1. Moments cinétiques; algèbre de Clebsch et Gordan! 2. La particule sur le cercle! 3. Le rotateur rigide! 4. La particule sur la surface d'une sphère! 5. Orbitales atomiques, partie angulaire! 6. L'atome d'hydrogène! 7. Vecteur de Laplace-Runge-Lenz! ! Théorie relativiste d'un atome (atome d'hydrogène)! 1. L'équation de Dirac! 2. L'approximation de Pauli! • Déduction de l'operateur! • Discussion des corrections relativistes! • Bons nombres quantiques de la théorie de Pauli; Théorème d'Ehrenfest! • Traitement perturbatif des termes relativistes - L'atome d'hydrogène à la Pauli: ! A. Le terme masse-vitesse! B. Le terme de Darwin! C. Le terme du couplage spin-orbite! • Spectre d'énergie de l'atome d'hydrogène - Théorie de Pauli! 3. Notation et désignation spectroscopique (I)! 4. L’effet Zeeman! • Déduction des opérateurs! • Traitement perturbatif! 5. Positronium! ! IV. L’effet Stark! 1. Déduction des opérateurs! 2. Traitement perturbatif! V. Systèmes à N corps! 1. Interactions et opérateurs à N corps! 2. L'approximation de Breit-Pauli! 3. La structure hyperfine! • Déduction de l'opérateur du couplage hyperfin! • Application! 4. Théorie à N corps! • Fonctions d'onde à N corps! A. Produit de Hartree! ! B. Déterminant de Slater! C. Cadres de couplage: Couplage L-S (Russell-Saunders); Couplage j-j! • Théorie de Hartree-Fock! A. Cadre physique! B. Principes de la théorie HF! • Effets de la corrélation électronique! A. Corrélation de Fermi! B. Corrélation de Coulomb! ! 5. Transitions atomiques! • Opérateur de l'interaction matière-rayonnement! • Taux de transition! • Approximation dipolaire! • Règles de sélection (pour des transitions)! ! VI. Molécules! 1. Interactions et opérateurs! 2. L'approximation de Born-Oppenheimer! 3. Courbes (surfaces) potentielles de l'énergie! • Molécules diatomiques! • Molécules polyatomiques! 4. L’ion moléculaire H2+! • Symétrie et nombres quantiques! • Solution de l'équation de Schrödinger! • Origine de la liaison moléculaire! 5. Transitions électroniques moléculaires! 6. Le problème du mouvement nucléaire! • Equations du mouvement! • Cadre adiabatique: l'approximation de Born-Oppenheimer! • Solution des équations du mouvement nucléaire! A. Partie rotationelle! B. Traitement de l'équation radiale! C.Anharmonicité! ! Pré-requis : ! Electrodynamique classique (L2, L3), Mécanique quantique (L2, L3), Mécanique quantique avancée (M1, en parallèle), Symétrie et théorie des groupes (recommandé).! ! Préparation à d’autres enseignements :! Niveau M2 principalement pour le parcours physique de la matière et les options suivantes:! • Fondements de l'interaction rayonnement-matière, rayonnement quantique! • Interactions électronique fondamentales ! • Théorie des groupes et dynamique quantique avec applications aux molécules! • Propriétés électroniques des molécules et solides! • Dynamique moléculaire et processus d'interactions! • Applications de l'interaction rayonnement matière! • Physique des agrégats ! Physique non linéaire (24h Cours, 24h TD)! ! Cours mutualisé entre les trois parcours M1 AOC, M1 Astrophysique et M1 Physique.! ! Objectifs : Donner une formation sur les effets des termes non linéaires dans les systèmes dynamiques (continues ou discrets) qu’on rencontre dans de nombreux exemples de la Physique moderne.! ! Contenu:! 1. Illustration des effets des termes non linéaires avec une discussion qualitative de certains exemples : Système de Lorenz, réaction chimique de Belousov-Zhabotinsky, application logistique, Oscillateur de Van der Pol, ...! 2. Bases: Systèmes dynamiques différentielles: transformation vers un système d’ordre 1, coordonnées polaires, espaces de phases, portrait de phase, systèmes conservatifs et dissipatifs, notion de flot, classification des systèmes linéaires (en 2 dimensions), systèmes hamiltoniens.! 3. Point Fixe et linéarisation, stabilité linéaire, discussions d'exemples (Lotka Volterra, particule dans un potentiel).! 4. Hybolicitè et validité de la linéarisation au voisinage des points fixes, notion des variétés stables et instables, exemples avec modification qualitative de la dynamique par des termes non-linéaires pour les points fixes non-hyperboliques.! 5. Cycles limites: exemples (Van der Pol), Théoreme de Poincaré Bendixson, stabilité linéaire d’un cycle limite, approche perturbatif simple (en TD).! 6. Applications discrètes et lien avec orbites périodiques, notion de points fixes, points périodiques, critère de stabilité aux valeurs propres de la matrice Jacobienne pour les applications. section de Poincaré, exemples (application standard de Chirikov, application logistique).! 7. Bifurcations, stabilité structurelle, classification des bifurcation pour les points fixes : bifurcation noeud col, transcritique, fourche, Hopf, sous-harmonique.! 8. Chaos temporel et systèmes dissipatifs, attracteurs étranges, ensembles fractales, dimensions de Hausdorff, sensibilité aux conditions initiales, exposant de Lyapunov, revisiter le système de Lorenz avec discussion de son attracteur chaotique, applications chaotiques simples, route vers le chaos : cascade sous-harmonique, intermittences, quasipériodicité.! ! Prérequis : Maîtrise des techniques de calcul standard pour une formation de 4ème année d’études en physique, notamment: techniques de résolution des équations différentielles (séparations de variables, variation de la constante), calcul matriciel et vectoriel, valeurs et vecteurs propre de matrices, diagonalisation de matrices.! La connaissance de la Mécanique Analytique (Mécanique du point), Systèmes hamiltoniens sont utiles. De même pour les domaines de Physique dont on discute des applications (par exemple : circuits électriques pour l’Oscillateur de Van der Pol).! ! Préparation aux parcours M2 de physique de la matière (certains cours), astrophysique et Energétique. ! Dynamique des fluides et transferts thermiques! (24h Cours, 24h TD, 6h TP)! ! Cours mutualisé entre les trois parcours M1 AOC, M1 Astrophysique et M1 Physique.! ! Objectifs :! ! • Approche macroscopique du milieu fluide.! • Analyser, interpréter et modéliser des écoulements compressibles de fluides visqueux Newtoniens dans un référentiel Galiléen et dans un référentiel en rotation uniforme.! ! ! Prérequis :! ! • Mécanique du point.! • Statique des fluides : physique du "milieu fluide", lois de l’hydrostatique.! • Techniques standards de calcul analytique (méthodes de résolution des équations différentielles…), calcul statistique élémentaire, calcul vectoriel (gradient, divergence, rotationnel et laplacien…).! ! ! Contenu :! ! ! ! • Approche macroscopique du milieu fluide, notion de diffusion moléculaire.! • Cinématique et dynamique des écoulements compressibles de fluides visqueux Newtoniens: équations de Navier-Stokes dans un référentiel Galiléen, généralisation à un référentiel en rotation uniforme, principales classes d’hypothèses simplificatrices.! • Thermodynamique des écoulements fluides et équation de la chaleur.! • Principales instabilités (Kelvin-Helmholtz, Rayleigh-Bénard, barotrope et barocline…).! • Notion de turbulence. Approches phénoménologique et statistique de la turbulence. Cas homogène et isotrope, spectre de Kolmogorov.! • Notions de couches limites laminaire et turbulente.! • Lien avec la « Thermodynamique Hors Equilibre » et la « Physique Non Linéaire » autour de l’instabilité de Rayleigh-Bénard et du système de Lorenz.! Mesures des rayonnements nucléaires et radioprotection! (39h Cours/TD, 24h TD, 9h TP)! ! ! Objectifs :! Ce module est composé de deux parties. L’objectif de la partie "Mesures des rayonnements nucléaires" est de comprendre le fonctionnement et l’utilisation des capteurs de tous les types de rayonnements nucléaires (gamma, neutrons, noyaux d’atomes, électrons, muons) ainsi que l’instrumentation associée. Il s’agit, en particulier, de donner les notions indispensables pour : (a) comprendre l’interaction des rayonnements nucléaires avec la matière, (b) conditionner et analyser les signaux issus des divers types de détecteurs et (c) interpréter les résultats fournis par la chaîne de mesure.! Les objectifs de la partie "Radioprotection" sont : (a) de sensibiliser les étudiants à la notion d’exposition et aux grandeurs dosimétriques, et (b) de donner les éléments de base pour la gestion et l’application de la radioprotection dans les installations qui utilisent des sources de rayonnements ionisants ! ! A - Mesures des rayonnements nucléaires (27 h C/TD 9 h TP)! ! I - Interactions rayonnements matière! 1 - photons gamma! 2 - particules chargées! 3 - neutrons! ! II - Détecteurs! 1 - détecteurs à gaz! 2 - scintillateurs! 3 - détecteurs à semi-conducteurs! ! III - Les chaînes de mesure! ! ! IV - Acquisitions et mesures! B - Radioprotection (12 h C/TD)! ! I - Grandeurs dosimétriques en radioprotection! 1 - Notion d'exposition! 2 - Grandeurs et unités! 3 - Effets biologiques! ! II - Principes de radioprotection! 1 - Généralités - principe ALARA! 2 - Zones réglementées! 3 - Classification du personnel! 4 - Estimation des expositions! ! ! III - Organisation de la radioprotection! 1 - Organismes nationaux et internationaux! 2 - Réglementation! 3 - Radioprotection dans un établissement! Préparation aux parcours M2 Physique de l'énergie et de la transition énergétique Méthodes numériques (48h TP, soit 5 ECTS)! ! Objectifs Introduire la programmation en langage C a un niveau élémentaire pour les étudiants n'ayant jamais programmés. Approfondissement du langage pour les étudiants ayant déjà des bases de programmation en C. Introduire les rudiments des méthodes numériques par différences finies et des méthodes de Monte-Carlo Faire que les étudiants soient capables de mettre en application ces connaissances dans le cadre d'un projet. L'enseignement est réalisé dans un cadre Cours/TD/TP intégrés. Prérequis Niveau de mathématique de niveau usuel en Licence de Physique Niveau élémentaire en algorithmique Description Mots Clefs : Système d'exploitation UNIX/LINUX, langages (C, Fortran et Matlab); Equations et systèmes d'équations; Interpolation; Régressions; Intégration numérique; Equations différentielles ordinaires; Equations aux dérivées partielles; Transformée de Fourier discrète; Dynamique moléculaire; Dynamique brownienne; Méthodes de Monte-Carlo; Mise en applications dans des projets. Ouvrages Conseillés Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing Third Edition (2007), 1256 pp. Cambridge University Press ISBN-10: 0521880688 ! Numerical Recipes: (2nd Edition) ! Méthode de calcul numérique, J-P Nougier, Masson S.A, 1989. ! Langage C, Claude Delannoy, Eyrolles , Collection Best of, août 2002 Programmer en langage C, Claude Delannoy, Eyrolles, Collection Noire, juin 2014 ! ! ! ! ! ! ! ! Instrumentation et mesure physique! ! Instrumentation (9h cours et 9h TD)! Objectifs :! • Présenter la place de l’Instrumentation dans la démarche scientifique.! • Connaissance de l’architecture des chaînes d’acquisition.! • Cahier des charges et problématiques autour de la mesure. ! ! ! ! ! Mesure physique (36h TP)! Objectifs :! • Prise en main d’un logiciel (LabVIEW) dédié au contrôle de chaînes d’acquisition.! • Initiation au contrôle distant d’instruments courants (GBF, oscilloscope, multimètre) et de cartes d’acquisition (DAQ).! • Mise au point et exploitation, du capteur à l’affichage de la mesure, d’une chaîne d’instrumentation.! ! Description:! ! Série 1 (18h TP): Initiation au contrôle d’instruments! Initiation au contrôle d’une DAQ (acquisition et génération de signaux).! ! Initiation au contrôle distant d’instruments par liaison parallèle (GPIB) ou série (RS232, USB).! Applications simples:! • Mesures de position et de vitesse par corrélation (DAQ).! • Relevé de la réponse en fréquence d’un quadripôle (GPIB).! ! Série 2 (18h TP): Bureau d’étude & Applications plus complexes! Chaque binôme travaille sur un document extrait d’un journal scientifique. L’objectif est de comprendre l’étude réalisée puis de réitérer les mesures présentées. Pour cela il faut assembler puis contrôler une chaîne d’instrumentation. Chaque binôme rédige un rapport puis le présente aux autres étudiants.! ! ! Exemples :! • Spectrométrie ! • Etude de la dépendance en température du gap d’un semi-conducteur.! • Quelques propriétés des cristaux photoniques.! • Mesures de magnétorésistance géante.! • Renversement temporel.! • Les relations de Kramers-Kronig soumises au banc de test.! • Phonons.! • Le pendule de Wilberforce.! • Conception d’un écran tactile.! • Spectroscopie de diélectriques.! • Etude du couplage piézo-mécanique dans un quartz. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Second semestre du M1 de physique! 4 choix parmi 6 UE (18h CM et 18h TD chacune)! Physique de la cellule! Physique quantique contemporaine: des fondements aux applications! Physique de la matière et nanophysique! Interaction rayonnement matière! Physique nucléaire! Physique des semiconducteurs! ! ! + UE obligatoires! Physique expérimentale (TP)! UE d'ouverture! Anglais! Stage en laboratoire de recherche (8 semaines) ! Physique de la Cellule (18h Cours et 18h TP)! ! ! Pré-requis : Physique Statistique de L3 (2L61PY1) ; Mécanique des Milieux Continus (2L51PY3)! ! Objectifs : Ce module propose d’illustrer les concepts de la physique statistique classique à travers des problématiques issues de la biologie de la cellule et des cellules en interaction. Il permettra également d’introduire de nouveaux concepts de la physique de la matière «molle» et de la physique hors équilibre. Ce module entend aussi sensibiliser les étudiants à la recherche à travers des ateliers tutorés.Les connaissances acquises lors de ce module permettront aux étudiants de suivre avec profit les Masters 2 suivants : Physique de la Matière ; 3N ; Energétique et Transferts ; Physique du Vivant ; Dynamique des Fluides.! ! ! Introduction : La cellule, un système complexe! ! 1. La cellule à l’équilibre thermodynamique! ! a. Physique statistique de la complexation ligand-récepteur : Modèle le plus simple de l’activité des protéines : système à deux états. Exemple de coopérativité : oxygénation de l’hémoglobine dimère.! b. Dénaturation de l’ADN : Coopérativité des paires de bases. Equivalence avec le modèle d’Ising 1D sous champ.! c. Deux modèles de la membrane cellulaire : i) Microscopique : mélange de lipides en interaction : modèle Ising 2D, séparation de phase et longueur de corrélation. ii) Mésoscopique : membrane élastique, modèle d’Helfrich (module de courbure, tension de surface). Interaction membranefaisceau laser.! d. Forces électrostatiques dans le cellule : Force entropique et nuage de contre-ions (théorie de Debye-Hückel). Interaction entre membranes biologiques (théorie de Poisson-Boltzmann). Virus vu comme une sphère chargée : auto-assemblage du virus de l’hépatite B! ! ! 2. La dynamique cellulaire! ! a. Diffusion dans la cellule : Rappels sur la diffusion. Comment mesurer la diffusion à ces échelles ? Méthodes de FRAP et FCS. Diffusion-absorption : modélisation de la signalisation cellulaire. Barrière d’activation (problème de Kramers) et retour sur la complexation! b. L’hydrolyse de l’ATP : une source d’énergie pour la cellule. Force mécanique exercée par les microtubules : polymérisation de l’actine. Force versus diffusion : le «Brownian ratchet». Mécanisme simplifié du moteur moléculaire kinésine marchant sur les microtubules! c. Propulsion de la bactérie E.coli. Exemple de propulsion par moteur rotatif fonctionnant par pompage ionique. Comment se propulser à très petit nombre de Reynolds : ex du flagelle en rotation! d. Dynamique des transitions de phases : Instabilité des états homogènes. Modèles réactoconvecto-diffusifs. Exemple sur la formation d'agrégats, interface et front mobiles (bactéries, cellules, sociétés animales).! ! ! 3. Ateliers tutorés (18h TP)! ! Cette partie est organisée sous forme de projet bibliographique et/ou de recherche sur un problème ouvert en biologie pour lequel les outils du physiciens s’avéreront utiles. Ce projet se conduira en interaction avec des équipes de recherche de laboratoires toulousains. ! ! Physique contemporaine : des fondements aux applications! ! (18 h cours + 18 h TD)! Objectifs : Cette option propose un approfondissement des connaissances déjà acquises en physique, en analysant les fondements conceptuels de la théorie quantique (nature probabiliste, indiscernabilité, superposition, intrication, non-localité) à l’épreuve de tests expérimentaux très récents. D’autre part les aspects relativistes présentés afin de mieux cerner les concepts de spin, de matière/antimatière, et d’interactions fondamentales. Enfin les applications récentes de la quantification des grandeurs physiques à l’élaboration d’étalons universels sont présentées dans un troisième volet intitulé métrologie quantique.! ! Pré-requis : Cette option nécessite une bonne connaissance en physique quantique et le suivi du module de physique quantique premier semestre est indispensable. Le suivi des modules de physique du solide et/ou de physique atomique est recommandé.! ! I! Le problème de l’interprétation en Mécanique quantique (12h)! Introduction : Rappels des postulats de la mécanique quantique. Concepts classiques et quantiques. Position de l’école de Copenhague. ! Intrication et non-séparabilité : corrélations à distance ; paradoxe EPR ; inégalités de Bell et tests expérimentaux. Application de l’intrication à l’information quantique.! Décohérence et introduction à la théorie de la mesure : Opérateur densité ; mélange propre et impropre ; interaction avec l’appareil de mesure et l’environnement ; chat de Schrödinger.! ! II- Physique quantique relativiste (12h)! ! Introduction : Unification de la relativité restreinte et la mécanique quantique.! Equation de Klein-Gordon : Equation d’onde pour les particules de spin 0. Equation de conservation du flux. Action d’un champ électromagnétique. Paradoxe de Klein et nécessité de l’existence d’antiparticules. ! Théorie de Dirac : Equation d’onde pour les particules de spin ½. Invariance et covariance des lois. Spectre en énergie. Spin d’une particule. Action d’un champ électromagnétique et théorie de Pauli. Interprétation des solutions d’énergie négative. Matière-antimatière. Paradoxe de Klein. Zitterbewegung.! ! III- Métrologie quantique (12h)! A. Métaux - Transport quantique! 1. Electrons dans des systèmes de basse dimensionnalité ! 2. Quantification de la conductance! 3. Electrons libres dans un champ magnétique uniforme! 4. Effet Hall quantique! 5. Effet de Haas - van Alphen! 6. Effet Aharonov-Bohm! B. Supraconducteurs - Effet tunnel! 1. Paires de Cooper dans des systèmes à liaisons faibles! 2. Courant électrique dans un supraconducteur! 3. Effets Josephson! 4. Interférence quantique de bosons : SQUID! 5. Supraconductivité et boson de Higgs! ! Préparation à d’autres enseignements (niveau M2) : certains cours des parcours de « physique de la matière » et « 3N »! ! Bibliographie : Physique quantique Le Bellac – CNRS éditions (EDP sciences)! Mécanique quantique – Basdevant et Dalibard - Editions de l’école polytechnique Physique de la matière et nanophysique ! ! (18 h cours + 18 h TD) ! Objectifs : Proposer aux étudiants une formation dans le domaine des propriétés électroniques et magnétiques de la matière condensée et de leurs applications actuelles dans le domaine de la nanophysique (spintronique, agrégats magnétiques, supraconducteurs à haute température critique,…).! ! Prérequis : Les enseignements de l'UE se font sur la base des connaissances acquises par les étudiants dans les modules de la licence et du premier semestre du Master de physique (mécanique quantique, physique atomique et moléculaire, physique statistique, physique des solides).! ! Contenu :! 1. Magnétisme et nanostructures magnétiques (6h cours + 6h TD)! • Diamagnétisme et paramagnétisme : Langevin, Brillouin, Pauli.! • Effet d’échange.! • Transition de phase paramagnétique/ferromagnétique.! • Ferromagnétisme et matériaux ferromagnétiques : domaines de Weiss, cycle d’hystérésis, champ coercitif et aimantation à saturation.! • Introduction en transition de phase et exposant critique.! • Théorie de Landau et brisure de symétrie.! • Antiferromagnétisme et ferrimagnétisme.! ! 2. Supraconductivité et matériaux supraconducteurs (6h cours + 6h TD)! • Supraconducteurs conventionnels, supraconducteurs à haute température critique.! • Expériences clefs, phénoménologie, supraconducteurs de type I et de type II.! • Effet Meissner, équations de London, quantification du flux.! • Aspect thermodynamique.! • Théorie de Ginzburg-Landau.! • Longueur de cohérence et longueur de London.! • Applications des matériaux supraconducteurs.! ! 3. Structure électronique des métaux et nanostructures métalliques (6h cours + 6h TD)! • Généralités: bandes d’énergie, densité d’états totale, densités d’états partielles s, p, d.! • Structure électronique des métaux massifs : métaux alcalins (bande s de Li, Na, K, Rb, Cs), métaux de transition (bandes sp et d des métaux de transition 3d, 4d 5d), métaux nobles (Cu, Ag, Au).! • Cas des métaux magnétiques : structure de bandes de Fe, Co et Ni, application aux nanostructures pour la spintronique.! • Structure électronique des surfaces, des interfaces et des nanostructures métalliques : états électroniques localisés (états de Shockley, états de puits quantique).! • Spectroscopies d’électrons.! ! Préparation à d’autres enseignements (niveau M2) : certains cours des parcours de physique de la matière et 3N.! ! ! ! Interaction rayonnement-matière (18h Cours et 18h TP)! Objectifs : Ce module propose aux étudiants la maîtrise des éléments fondamentaux de l’interaction entre des atomes et un champ optique. ! ! Pré-requis : Mécanique quantique, physique atomique et moléculaire ! ! Contenu :! ! Première partie : Interaction atome-champ classique! ! 1- Matrice densité. Introduction phénoménologiques des relaxations.! 2- Théorie semi-classique de l’interaction laser-atome. Rôle des cohérences. Equations de Bloch optiques. Applications : Echo de photon, ralentissement de la lumière. Dynamique sans relaxations : oscillations de Rabi et évolution adiabatique. ! 3- Propagation : Polarisation quantique. Approximation de l’enveloppe lentement variable. Equations de Maxwell- Bloch optiques.! 4- Modèle énergétique de l’interaction laser–atome : Equations aux populations, équation de transfert radiatif.! ! Deuxième partie : Physique du laser ! ! 1- Introduction. Caractéristiques d’un rayonnement laser.! 2- Cavités optiques.! 3- Milieux actifs : inversion de populations. Systèmes à 3 et 4 niveaux.! 4- Oscillation laser : Rôle des pertes et compétition avec le gain. Cas d’un laser à cavité linéaire et un laser à cavité en anneau. ! ! ! Physique nucléaire (18 h cours + 18 h TD)! I) Introduction sur la Physique Nucléaire! ! ! ! II) Eléments de Physique Nucléaire! ! ! ! ! ! II.1) Généralités sur les noyaux! II.2) Goutte liquide! II.3) Modèle en couches; résonances! II.4) Vallée de stabilité; radioactivité! III) Réactions nucléaires! ! III.1) Energétique et cinématique! ! III.2) Sections efficaces et taux de réaction! ! III.3) Type et Physique des réactions nucléaires (directes/indirectes, résonantes/non ! ! résonantes, élastiques/inélastiques)! ! III.4) Eléments de neutronique (section efficace)! ! Préparation à d’autres enseignements énergétique! ! ! (niveau M2) : M2 pro énergie et transition ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Physique des semiconducteurs! ! (18 h! cours + 18 h TD) ! Objectifs : L'idée est de développer, dans le cadre des semiconducteurs, certains concepts acquis lors des cours de physique générale du S1 (physique statistique et physique des solides principalement).! L'UE n'est pas strictement orientée vers les composants et l'électronique. Néanmoins, les applications (électronique ultime, lasers, cellules solaires) et/ou leur utilisation pour illustrer des phénomènes quantiques (effet Hall quantique, confinement en basse dimensionnalité) sont intégrées à chaque fois que c'est nécessaire. ! Cette UE est bien adaptée aux parcours M2 3N et PM. Plus généralement, elle sera utile aux étudiants se tournant par la suite vers des formations/débouchés en physique de la matière condensée, nanotechnologies, micro et opto-électronique.! ! ! Prérequis : les cours du S1 de physique statistique et de physique des solides sont nécessaires, celui de mécanique quantique est recommandé.! ! Contenu :! ! 1. Généralités sur les semi-conducteurs massifs! • Familles de semiconducteurs (IV-IV, III-V et II-VI) et leurs applications en lien avec leur structure cristalline, composition chimique, structure de bande. Quelques notions de technologie.! • Rappel du calcul de structure de bande, modèle des liaisons fortes, notions d'électrons et trous, masse réduite, mobilité, conduction.! • Semiconducteurs homogènes, concentrations (densités d'états) n et p des porteurs, conductivité en fonction de T, effet Hall, effet d'un champ B (résonance cyclotron), effet d'un champ E intense (effet Gunn).! ! 2. Vers le composant : dopage, hétérostructures! • Dopage des semiconducteurs, statistique des porteurs, états d'impuretés, mobilité, mobilité vs T (mécanismes de diffusion)! • Jonction pn, à l'équilibre thermodynamique et hors-équilibre! • Applications : les composants actuels (capteurs, MEMS, CMOS ultime)! • Effets quantiques et basse dimensionnalité : modification de la bande interdite, confinement, gaz d'électrons 2D et effet Hall quantique, hétérostructures périodiques.! ! 3. Propriétés diélectriques et optiques des semiconducteurs! • Propriétés diélectriques (rappels, polarisabilités ioniques et électroniques, piezo et ferroélectricité)! • Absorption, émission, exciton, photoconductivité (photodétecteur, cellule solaire) et luminescence (LED, laser)! ! ! ! Physique expérimentale (36h)! Objectifs :! Mettre en œuvre des expériences pour observer et mesurer les phénomènes physiques étudiés en mécanique quantique, physique non linéaire, physique des semi-conducteurs et physique nucléaire. Initier aux méthodes modernes de mesures des grandeurs physiques: conversion de grandeurs physiques en grandeurs électriques, conditionnement du signal et acquisition de données sur ordinateur.! ! ! Contenu :! - Spectrométrie gamma et alpha (diffusion Compton, perte en énergie des particules ).! - Mesure de phénomènes non linéaires (oscillateur non linéaire,laser Nd:YAG)! - Optoélectronique (laser à semi-conducteur, fibre optique)! - Physique des semi-conducteurs (Diode Electroluminescente)! - Physique atomique (résonance paramagnétique Electronique, effet Zeeman)! ! ! Pré-requis : module d’Instrumentation de Licence de Physique, module Mécanique Quantique de Licence de Physique, module Propriétés Electromagnétique de la matière de Licence de Physique, module Physique Nucléaire de Licence de Physique.! ! Préparation à d’autres enseignements (niveau M2) : module Interaction rayonnement-matière et spectroscopie des M2 « physique de la matière » et « 3N ».! ! Documentation :! • Cahiers de Travaux Pratiques (Physique, Electronique et Instrumentation)! • Physique des semi-conducteurs et des composants Electronique (Mathieu et al.)! • Radiation Detection and Measurement (G. Knoll) ! ! ! Module de langues (24 h) ! Objectifs! ▪ Développer les compétences indispensables aux étudiants en vue de leur intégration dans la vie professionnelle.! ▪ Acquérir les outils de communication permettant de s’exprimer dans le contexte international d’aujourd’hui et l’autonomie linguistique nécessaire à cette intégration. (La capacité de s’exprimer clairement à l’oral est un facteur déterminant dans la progression d’une carrière. Notre but est de faire en sorte que l’étudiant soit autant à l’aise en anglais que dans sa langue maternelle.)! ▪ Effectuer une simulation de tâche professionnelle orale et écrite avec sa préparation et son aboutissement, concevoir et mener le travail de A à Z.! ! ! Contenu! ▪ Préparation à la prise de parole en public : tous les aspects de la communication orale.! ▪ Recherche d’informations et compréhension de documents portant sur le domaine de spécialité.! ▪ Acquisition du vocabulaire spécifique en contexte. ! Stage de recherche! ! Le stage obligatoire a une durée de huit semaines, à l'issue desquelles l'étudiant rend un rapport écrit et est auditionné par un jury d'enseignants. Le stage peut durer plus longtemps mais rapport et soutenance doivent avoir lieu au bout de 2 mois (pour des raisons d'obtention des notes et de formation des jurys d'examen).! ! Les stages peuvent être choisis parmi une liste proposée par les laboratoires partenaires ou par d'autres laboratoires mais dont le sujet est jugé recevable. De même, le stage peut avoir lieu en milieu industriel (fortement recommandé si l'étudiant souhaite faire une carrière dans l'industrie dès l'obtention du M2). La seule condition est encore une fois la validation du contenu, qui doit effectivement correspondre à un stage de recherche de niveau M1.! ! L'objectif du stage est une première immersion dans un milieu professionnel hautement stimulant et concurrentiel. C'est l'occasion de mettre en pratique une formation théorique de haut niveau, de mener à bien un mini-projet et/ou de contribuer, au sein d'une équipe, à un travail de recherche.! Cette première approche rend les étudiants beaucoup plus efficaces lors du stage de M2. Même s'ils choisissent un autre laboratoire ou une autre équipe, ils ont acquis des réflexes de travail qui les rend plus rapidement autonomes et efficaces.! ! ! ! Stage facultatif! ! En dehors de la période d'enseignement, il est possible d'effectuer un stage facultatif dès lors qu'il s'intègre dans un parcours pédagogique. ! Ce stage ne donne pas lieu à l'attribution d'ECTS mais est évalué sous une forme propre à la formation (a minima un compte-rendu de stage). Les stages validés apparaîtront sur l'annexe du diplôme lors de l'édition du diplôme (L3 - M2) ! ! Le responsable de formation est responsable de l'adéquation du contenu du stage avec le projet professionnel de l'étudiant.! ! Que le stage soit obligatoire ou facultatif, il doit faire l'objet d'une convention de stage.! ! La secrétaire pédagogique est à votre disposition pour de plus amples renseignements.
