X Physique 2 PC 2010 — Énoncé 1/7
ÉCOLEPOLYTECHNIQUE
ÉCOLESUPÉRIEUREDEPHYSIQUE ETDECHIMIEINDUSTRIELLES
CONCOURSDADMISSION2010 FILIÈREPC
DEUXIÈMECOMPOSITIONDEPHYSIQUE
(Durée :4heures)
Lutilisation descalculatricesestautorisée pourcette épreuve.
⋆ ⋆
Réponseoptiquedenano-objetsmétalliques
Lorsquelatailledun objetest réduiteàl’échelledequelquesnanomètres,soninteractionavec
uneonde électromagnétiquedansledomaineoptique estmodiée par rapport àcelledu matériau
massifdontil estconstitué.Létude expérimentale etlamodélisation de cettemodicationainsi
quel’utilisation despropriétésoptiquesdun nano-objetpourdesapplicationsconstituentun
thèmemajeurdesnanosciencesetdesnanotechnologies.Lobjetde ce problème estdanalyser
quelquesaspectsdelaréponseoptiquedenanoparticulesmétalliquesnon-magnétiques.
Donnéesnumériques
Permittivitédiélectriquedu vide:ε0=8,85 ×1012 F·m1
Charge élémentaire:e=1,6×1019 C
Massedel’électron:m=9,1×1031 kg
Vitessedelalumièredanslevide:c=3,0×108m·s1
Formulaire
Champélectromagnétique,encoordonnées sphériques,créé parun dipôleoscillant~p=p(t)~uz
situédanslevideau pointO:
~
E(~r,t)=
Er=1
4πε0
2cosθhp(t)
r3+˙p(t)
r2cit=(tr/c)
Eθ=1
4πε0
sinθhp(t)
r3+˙p(t)
r2c+¨p(t)
rc2it=(tr/c)
Eϕ=0
~
B(~r,t)=µ0
4πsinθh˙p(t)
r2+¨p(t)
rcit=(tr/c)~uϕ
Puissance instantanée rayonnée :Pray=¨p(t)2
6πε0c3.
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X Physique 2 PC 2010 — Énoncé 2/7
I.Résonanceoptiquedun agrégatmétallique
Ons’intéresseàlaréponseoptiqueduneparticulemétallique,sphérique,dequelques
nanomètresderayon,placée danslevideau pointO(Fig.1).Danscettepremièrepartie,son
interactionavec uneonde électromagnétique estanalysée àl’aidedu modèlesuivant: l’ensemble
desélectronsde conduction du métaletl’ensembledesionsformantleréseausontdécritschacun
paruneboulederayona,uniformémentchargée,négativementpourlesélectrons,positivement
pourlesions.Lesdensitésvolumiques,électronique etionique,sontégalesetdésignéesparN.
Figure1
I.1.Montrerquentoutpointdel’espace, le champélectrique~
E+créé parlabouleionique est
radial. Établirlesexpressionsde ce champau pointM(~r),pourr<aetr>a.
En déduirele champ~
Ecréé enMparlaboule électronique.
I.2.Onappliqueun champélectrostatiqueuniforme:~
ES=ES~uz.
I.2.1.Justierqualitativementquelesboulesélectronique etioniquesedéplacentl’unepar
rapport àl’autresuivantOz.
Onsupposeradanstoutelasuitequelabouleioniqueresteimmobile,de centreO,etque
ledéplacementélectronique estuniforme.On notera~
δ=δ~uz=
OOledéplacementdelaboule
électroniquede centreO;onadmettraquel’amplitude|δ|de ce déplacementest trèspetite
devanta,hypothèsequel’onvérieraa posteriori.
I.2.2.Exprimeren un pointMintérieurauxdeuxboulesle champélectrique~
Ed=~
E++~
E
auxionsetauxélectronsàl’aidede~
δ.
En déduirelaforce exercée parce champsurun électron de conduction.
I.2.3.Entenantcomptedu champélectrostatiqueappliqué,exprimerlaforce totalequi
sexerce surun électron.Montrerqu’il yauneposition déquilibrepourun déplacement~
δsque
l’onexplicitera.
Quellehypothèse exprimée enI.2.1.setrouvejustiée parlerésultat?
Quevautle champélectriquetotaldanscettesituation déquilibre?
I.2.4.Lamplitudedu champstatique estES=106V·cm1.Ladensitédélectronsde
conduction danslesodiumestNNa2,5×1028 m3.Justierl’hypothèsefaitesurδ.
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X Physique 2 PC 2010 — Énoncé 3/7
I.2.5.Laséparation deschargesdonneàlaboulemétalliqueun momentdipolaire électrique
~p0.Lexprimerenfonction du champappliqué~
ES.En déduirelapolarisabilitéstatiqueα0dela
boule,déniepar~p0=ε0α0~
ES.
I.3.Le champélectriqueappliquévariemaintenantsinusoïdalement,soiten notationcomplexe
~
E0=E0exp(iωt)~uz.Onlesupposeuniforme,sansphénomènedepropagation.Soit~
δ(t)le
déplacementélectronique.
I.3.1.En utilisantlesrésultatsdeI.2.2,écrirel’équation du mouvementdun électronsoumis
auchampappliqué etauchamp~
Ed.
On poseωp=»Ne2/ε0m,appelée « pulsation plasma».Exprimeràl’aidedeωplapulsation
propreω0du mouvement.
I.3.2.Expliciter~
δ(t)enrégimesinusoïdalpermanent.Que constate-t-on pourωω0?
I.3.3.Lemodèleprécédentsappliqueauxmétauxalcalins.Donnerlavaleurdelapulsation
derésonance pourlesodium(NNa2,5×1028 m3).
Lesmesuresexpérimentalesdabsorption(cf. II)donnentωexp
04,9×1015 s1pourle
sodium.Àqueldomainespectralcorrespond cettepulsation?Compareràlavaleur théorique.
I.4.Le champélectriqueoscillantestenfaitceluiduneonde électromagnétiqueplanemonochro-
matiquedepulsationω,polarisée linéairementsuivantz,etsepropageantsuivantx.Le champ
estdonné en notationcomplexepar:~
E0=E0expi(ωtkx)~uz.
I.4.1.Onsupposequelasphèreaun rayon de5nanomètresetquel’onde électromagnétique
estdansledomainevisible.Justierquel’on puissenégligerlavariationspatialede~
E0sur
l’extension delaparticule.
On prendradoncparlasuitele champenx=0.
I.4.2.Onsupposequelemouvementdesélectronsestamortipardescollisions;ceteetpeut
êtredécritphénoménologiquementparuneforce defrottementuidesopposantaumouvement
de chaque électron:~
Ff=mγ˙
~
δ,avec γω0.
Donnerl’équation du mouvementdun électron.En déduirel’expression du déplacement
δ=δ0eiωtenrégimesinusoïdalpermanentàlapulsationω.
Exprimer|δ0|enfonction deω.En donnerlavaleurmaximale|δ0|maxàrésonance.
I.4.3.Londe électromagnétiqueincidente,produiteparun laserfocalisé,auneintensité
I0=105W·cm2.Vérierl’hypothèsedefaibledéplacementdansle casdu sodium,avec les
données suivantes:NNa2,5×1028 m3,γNa3×1013 s1.
I.4.4.Donnerl’expression du champélectriquetotal interne~
Eintàlapulsationωen un point
Màl’intérieurdelananoparticule,enfonction deω,ω0,γet~
E0au pointO.Montrerqu’il existe
unerésonance enamplitudepour~
Eintauvoisinagedelapulsationω0.
Quevautle champinternepourωωp?Commenterce résultat.
Cetterésonance dansl’amplitudedu champélectriqueàlapulsationω0correspond àune
augmentation delaréponseoptiquedesnanoparticules;elle estappelée résonance plasmon de
surface delaparticule.
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I.4.5.Donnerl’expression de|f(ω)|=|~
Eint|/|~
E0|auvoisinagedeω0.Tracerl’alluredesa
variationenfonction deω.Quevautce rapport àrésonance dansle casdu sodium?
I.5.Ons’intéressemaintenantauchampexterne.
I.5.1.Montrerquele champ~
Eecréé parlaparticule en un pointMextérieuràcelle-ci, sous
l’action del’onde électromagnétique,correspond àceluidun dipôleoscillant.Montrerque ce
dipôle~ppeutsemettresouslaforme:
~p=βω2
0
ω2
0ω2+iγω~
E0(O)
oùon donneral’expression deβ.
I.5.2.Onseplace en un pointM(~r)auvoisinageimmédiatdelananoparticule(rλ).
Représenterlavariation du rapport entrel’amplitudedu champtotaletcelledu champincident
àlapulsation delarésonance ω0,enfonction deladistance raucentredelaparticulepourun
pointMsituésurl’axeOx.
II.Rayonnementetabsorption
Avec l’accroissementdelasensibilitédesméthodesdespectroscopieoptique, il estmainte-
nantpossibledobserverexpérimentalementladiusionoul’absorption delalumièreparune
nanoparticulemétalliqueunique.Leetdun grand nombredeparticules seraensuiteanalysé.
Comme enI, l’onde électromagnétiqueplanemonochromatiqueincidente,d’intensitéI0,se
propageselonladirectionx;elle estpolarisée linéairementsuivantz.Onsupposequelespar-
ticules sontsusammentpetitespourqueleur réponseindividuellepuisse êtreassimilée àcelle
dun dipôle.
Pourlesapplicationsnumériquesde cettepartie,on prendralesvaleurscorrespondantau
sodiumω0=4,9×1015 s1etγ=3×1013 s1.
II.1.Puissance rayonnée.
SoitI0l’intensitédu faisceaulumineuxde champélectrique~
E0=E0expi(ωtkx)~uzen
notationcomplexe.
II.1.1.ExprimerI0àl’aidede|E0|.
II.1.2.En utilisantlerésultatdeI.5.1.,donnerl’expression delapuissance moyennePd
rayonnée parunenanoparticuleuniquesousl’action del’onde électromagnétique,enfonction de
I0.Cettepuissance correspond àlapuissance diusée parlaparticule.
II.1.3.Onsupposequel’on peutcollecterl’ensembledelalumièrediusée dansledemi-
espace y>0delagure1.Leseuil dedétection du détecteurutilisé estde109W.
Quelle estlatailleminimaledelananoparticulequipeutêtreobservée parcetteméthode
pouruneintensitéincidenteI0=103W·cm2?
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II.2.Puissance dissipée.
II.2.1.Exprimerlapuissance moyennePadissipée parlaforce defrottementintroduite
enI.4.2,pourl’ensembledesélectronsdelananoparticule,enfonction deI0,ω0,ω,γ,aetc.
II.2.2.Exprimerlerapport Pd/Pa.Pourquellevaleurdealapuissance dissipée àlarésonance
devient-t-ellesupérieureàcellediusée par rayonnement?
II.2.3.Onconcentreun faisceaulaseràlapulsationω0surunetachefocaledediamètre
1µmaucentredelaquellesetrouvelaparticule.Onadmettraqueladescription précédente en
termedondeplane est toujoursvalable etquel’énergie estuniformément répartiesurlatache
focale.Unchangement relatifdepuissance du faisceau del’ordrede104peutêtredétecté.En
prenantle casdu sodium,quelle estlatailleminimaledelaparticulequipeutêtreobservée ?
II.3.Laplupart desétudesexpérimentales surdesnanoparticulesdalcalinsontétéréalisées
surdesnanoparticules sousvide.L’interaction duneonde électromagnétiqueavec un grand
nombredeparticulesestalorsréalisée.Onsupposeraquelesparticules sontidentiques(sphèresde
rayona)eton noteNpleurdensitévolumique.
II.3.1.Onsupposequel’interaction desparticulesestnégligeablesi leurscentres sontséparés
dunedistance supérieureà8a.Justiez cetteapproximationenvousappuyantsurlerésultatde
I.5.2.EstimerladensitémaximaleNMdeparticulespourlaquelle cettehypothèse estvériée
poura=5nm.Exprimerlafractiongdevolumedu milieuoccupéparlesnanoparticulesen
fonction deNp.DonnersavaleurpourNp=NM.
II.3.2.Lafractionvolumiquegestde2×104.Exprimerlapolarisation du milieuformépar
cesnanoparticules.En déduiresapermittivité complexe
εetsonindice deréfractioncomplexe
n=nin′′ ;onsupposeran′′ netonjustieraquenresteprochede1malgrélacontribution
desnanoparticules.
II.3.3.Montrerque,aprèspropagationsurunelongueurL, l’intensitéduneonde électroma-
gnétiqueincidentesurlemilieuestdonnée parI=I0exp(αL)oùle coecientdabsorptionα
estdelaforme:
α=Bω2γ
(ω2ω2
0)2+γ2ω2.
OnexprimeraBenfonction deg,ωpetc.
Calculernumériquementα1pourdesnanoparticulesdesodium,àrésonance.
III.Extension du modèle
Létude eectuée enIdel’interaction dunenanobouleavec uneonde électromagnétique
peutêtrereprise etgénéralisée entraitantlemilieumétallique commeun milieu diélectrique
particulier.Lepassageaucasdunenanoparticuleinsérée dansun milieu diélectriquesera alors
facilité.
III.1.Lananoparticulemétallique estsphérique, immobilede centreOetderayona,placée
danslevide etglobalementneutre.Comme enI.4.1,onlasupposesusammentpetitepour
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