Stage - DLST

Université Joseph Fourier
Département Licence Science et Technologie
Rapport de Stage
« Introduction à la mécanique quantique »
Maya HAYEK
Laboratoire d’accueil : Institut Néel
Directeur de l’institut : M. Alain Schuhl
Responsable du stage : M. Joël Chevrier
License physique et génie électrique, 1ère année
Parcours physique-chimie
Année universitaire 2013-2014

Remerciements
Je remercie tout d’abord l’UJF pour cette opportunité de stage d’excellence qui était une
expérience très enrichissante pour moi en tant qu’étudiante en première année et pour ma
future carrière. Je remercie aussi Alain Schuhl, le directeur de l’institut Néel, pour m’avoir
permis d’effectuer ce stage au sein d’un des plus grands laboratoires à Grenoble.
Je tiens à remercier infiniment Joël Chevrier pour m’avoir accepté en tant que stagiaire dans
son projet et pour la confiance qu’il m’avait accordée malgré mes connaissances limitées dans
ce domaine. Je le remercie également pour ses précieux conseils ainsi que pour son temps et
son aide.
J’exprime ma profonde reconnaissance à Aurélien Drezet pour toutes les discussions
scientifiques qui étaient mon guide pendant ce stage et un enrichissement très intéressant dans
ma culture scientifique.
J’adresse finalement mes remerciements à Simon Carpentier et à toutes les personnes de
l’équipe des Nano-Optiques que j’ai rencontrées grâce à ce stage, pour leur accueil chaleureux
et tous les échanges enrichissants.

Sommaire
I - Institut Néel p 4
II - Introduction p 5
III - Dualité et Interférences p 6
IV - Source à Photon Unique (SPU) p 11
V - Stabilité de l’atome p 16
VI - Effet Tunnel et liaison covalente p 18
VII - Applications quantiques p 21
VIII - Conclusion p 23
IX - Bibliographie p 24

I - Institut Néel
L’institut NEEL est un laboratoire grenoblois de recherche fondamentale en physique de la
matière condensée, riche d’une importante composante interdisciplinaire aux interfaces avec
la chimie, l’ingénierie et la biologie, et possédant une expertise technologique du plus haut
niveau fortement intriquée avec les projets de recherche.
Leurs activités principalement expérimentales s’appuient sur de fortes compétences
transversales en physique théorique analytique et numérique, et sont organisées en trois
départements scientifiques en forte interaction, comprenant dix-sept équipes de recherche et
dix-sept pôles technologiques. Elles couvrent un vaste domaine scientifique :
supraconductivité, fluides quantiques, nouveaux matériaux, cristallographie, science des
surfaces, nanoélectronique quantique, nano-mécanique, optique non-linéaire et quantique,
spintronique, magnétisme…
Le laboratoire s’implique aussi activement dans la valorisation de ses recherches dans des
domaines de la nanoélectronique, de l’énergie et aussi dans les sciences du vivant et les
sciences de l’Univers.

II - Introduction
Notre objectif pour ce stage était de préparer un cours de 3 heures pour des profs de lycée
sur la mécanique quantique, donc une introduction sur ses grands thèmes, surtout la dualité
des particules quantiques et les expériences qui le prouvent, la stabilité de l’atome en
introduisant le modèle de Bohr, l’effet photoélectrique et la spectroscopie, l’effet tunnel dans
la liaison covalente, le principe de Pauli et la densité de la matière, et enfin les applications de
la mécanique quantique dans les nouvelles technologies.
Notre travail était théorique plutôt qu’expérimentale. Introduire la mécanique quantique
pour des profs de lycée – donc qui n’ont pas vraiment des connaissances sur ce domaine- nous
a obligé de ‘’redémontrer‘’ des théorèmes sans recours aux formalismes, aux équations
mathématiques et sans passer par les détails compliqués des théorèmes du magnétisme, de la
fonction d’onde, le spin etc… pour finalement expliquer les idées par les méthodes les plus
simples en se basant surtout sur les premières expériences, et en insistant sur l’essentiel plutôt
que sur les détails.
Nous avons schématisé les expériences, remplacé les formalismes par un nouveau langage
physique et les avons illustrés dans les applications de tous les jours tel le GPS, l’IRM, le
laser, la cryptographie.. J'ai fait beaucoup de recherches pour essayer de comprendre le plus
possible l'idée sans les formules (dont je n'ai pas la base nécessaire en mathématiques) afin de
pouvoir aider à trouver le langage et la façon les plus simples pour qu'ils soient
compréhensibles à tout le public, même ceux qui sont inexperts en physique quantique.
Je détaillerai le premier chapitre en tous ses côtés, celui du principe de la dualité et
l’expérience des fentes de Young, l’expérience qui nous a pris le plus de temps voyons son
étrangeté, et tous les sujet qui en dérivent. Une expérience d’autant simple que complexe.
Pour les autres, je parlerai des grands points. Je dévierai aussi pour parler de l’expérience de
la source à photon unique à laquelle j’ai assisté lors d’un entretien avec M. Aurélien Drezet,
chercheur et membre de l’équipe du nano-optique à l’institut Néel. Pour les applications, je
parlerai du principe du chat de Schrödinger et du laser utilisé toujours dans notre vie
quotidienne, mais sans comprendre son fonctionnement!