Révolution conceptuelle majeure du 20ème siècle, la physique quantique change profondément notre compréhension du monde. La physique classique ne s’applique ainsi donc que dans un cas particulier : celui où les systèmes transmettent suffisamment rapidement de l’information à leur environnement. La physique quantique a permis un grand nombre d’inventions que l’on retrouve dans notre vie quotidienne. Elle donne aussi un cadre à de nombreuses disciplines de physique, chimie, informatique, mathématique et même biologie.

Le cours présentera les bases de la physique quantique. Pour bien appréhender les concepts de cette théorie fondamentalement probabiliste dans ses prédictions, nous commencerons avec le système le plus simple : le bit quantique. Puis nous nous intéresserons aux fonctions d’onde, à l’intrication quantique, à la dynamique de systèmes quantiques simples ainsi qu’à la description quantique des atomes et des oscillateurs harmoniques. Ces notions de base seront illustrées par des TDs modélisant des expériences actuelles notamment en optique quantique, manipulation de bits quantiques ou métrologie quantique. 

L’objectif de ce cours est de présenter les outils mathématiques essentiels pour la physique et la chimie en L3. Il ne s’agira pas là d’insister en profondeur sur les conditions d’existence des différents outils (bien que nous nous attacherons à une certaine rigueur dans ce domaine), mais d’acquérir une aisance dans leur manipulation sur laquelle nous insisterons en cours en multipliant les exemples et en TD par la pratique. Il s’agira également d’expliciter leur utilisation dans divers domaines de la physique et de la chimie que ce soit en électromagnétisme, en mécanique quantique, en cinétique chimique, en optique, en mécanique ou encore en traitement du signal.

Le cours s’articulera autour de quatre thématiques. Dans un premier temps, des rappels d’algèbre linéaire seront faits (structures algébriques, produit scalaire, géométrie dans l’espace, manipulation des matrices, analyse spectrale, etc.). Ensuite, nous reviendrons sur l’intégration de fonctions de plusieurs variables et sur les théorèmes associés (Stokes et Green-Ostrogradski). Par la suite, nous introduirons la distribution delta de Dirac et présenterons ces propriétés. Enfin, nous reverrons et étendrons des notions déjà connues dans le domaine des équations différentielles.

Dans tous les domaines, l’outil informatique est de plus en plus utilisé. Dans les domaines scientifiques son utilisation est incontournable et les besoins très spécifiques d’un scientifique nécessitent non seulement la maîtrise de différents logiciels mais aussi la capacité à créer des programmes simples pour l’analyse et la représentation des données. Dans ce module, nous passons en revue les éléments de base du système d’exploitation Unix et proposons une initiation à l’utilisation du langage Python pour les besoins spécifiques d’un physicien ou d’un chimiste. En effet, Python est un langage de programmation qui présente de nombreux avantages : il est libre, gratuit, facile à utiliser et à comprendre. De plus il existe un grand nombre de bibliothèques qui permettent de pratiquement tout faire aisément. Le module contient également une initiation à l'édition de documents scientifiques sous LaTeX.
 

Ce module propose une introduction aux grandes questions de la biologie. Tout en survolant une palette très large de notions de base, l’objectif du cours consiste à mettre en lumière les spécificités et l'extrême diversité des systèmes biologiques. Des thèmes très variés comme l’information génétique, le rôle des fluctuations dans le vivant, les propriétés physiques de l’ADN, la dynamique du cytosquelette ou les moteurs moléculaires seront abordés. Des séances de travaux pratiques (analyse d’ADN recombinant, localisation et rôle de l’auxine dans la plante) permettront aux étudiant.e.s de se familiariser avec les techniques et les contraintes du matériel biologique.

Dans le cadre de l'UE Séminaires et Professionnalisation, les étudiant.e.s assistent chaque semaine à un séminaire donné par un.e chercheur.se invité.e à présenter son domaine et sa recherche. A ces séminaires spécifiques à la formation s’ajoutent les grandes conférences et « cours du Collège de France hors les murs » organisés par la FRAMA (Fédération de Physique de Lyon) avec des personnalités très prestigieuses, ainsi que le cyle de Conférences « Physique et Chimie au Printemps » (organisé par la FRAMA, les antennes locales de la Société Française de Physique et Société Française de Chimie) toutes sur le site Lyon Tech-Doua. Le créneau de Séminaires est aussi utilisé pour des réunions d’informations sur la formation et ses débouchés.

Systèmes à champ central. Atome d'hydrogène, effets relativistes. Atomes polyélectroniques : approximation du champ central, orbitales atomiques, configurations électroniques, déterminants de Slater, approches perturbatives et variationnelles, termes spectraux. Molécules diatomiques : approximation de Born-Oppenheimer, rotation et vibration, orbitales moléculaires, approche LCAO, termes spectraux.

Comment décrire le comportement d’un système physique composé d’un grand nombre (10^23) particules ? La thermodynamique classique permet d’appréhender certains aspects de ce problème mais ne répond pas à toutes les questions.

Ce cours commence par présenter une première tentative pour aller plus loin : une approche « mécanique » par la cinétique des gaz. L’étude de la distribution des vitesses permet de faire émerger une quantité qui ressemble à l’entropie.

On propose ensuite un intermède avec une brève introduction à la théorie de l’information, qui montre l’intérêt de l’entropie dans des domaines variés tels que la compression de fichier ou l’inférence statistique.

Le cours revient ensuite à la physique statistique plus traditionnelle, en montrant l’intérêt d’une approche non plus « mécanique » mais « ensembliste » pour l’étude des grands systèmes. On commence par l’étude d’un système isolé (ensemble microcanonique), puis celle d’un système en équilibre avec un thermostat (ensemble canonique), et d’un système en équilibre avec un thermostat et un réservoir de particules (ensemble grand-canonique). La physique quantique s’immisce dans le débat quand il faut tenir compte de l’indiscernabilité des particules.

Plusieurs applications du formalisme développé sont alors traitées : réaction chimique en phase gazeuse, gaz réels, solutions, adsorption, gaz parfaits d’électrons, rayonnement du corps noir…

Ce module propose une introduction aux grandes questions de la biologie.
Des thèmes très variés comme le mode de fonctionnement des protéines, leur structure 3D, le lien structure/fonction, la motilité et l'adhésion à l'échelle cellulaire, ou encore les mouvements collectifs au sein de populations cellulaires.
Des séances de Travaux Pratiques (purification de protéine et cinétique enzymatique, Visualisation Biomoléculaire) permettront aux étudiants de se familiariser avec des techniques de Biochimie ou issues de la biologie Structurale pour l’étude d’objets biologiques.

Le but de ce module est de développer une démarche "expérimentale" visant à résoudre à l'aide des outils numériques un problème simple de physique ou de chimie. Pour cela, un "projet numérique" devra être mené à bien. Plusieurs étapes-clefs d'un tel projet peuvent être identifiées, à savoir:
- définition de la problématique,
- identification des aspects/difficultés numériques et implémentation du code correspondant,
- simulation numérique et visualisation,
- discussion physique des résultats,
- rédaction d'un rapport.

Le choix du sujet est laissé à l'initiative des étudiant.e.s. Cette liberté leur permet d'exprimer leur sensibilité de chimiste ou de physicien. A l'issue de cette phase de réflexion, la problématique est arrêtée en accord avec les encadrants. Le développement des aspects numériques est conduit au cours de séances sur machine. A cet effet, les ressources du Centre Blaise Pascal sont mises à la disposition des étudiant.e.s, qui peuvent également utiliser leur ordinateur personnel (s'ils.elles le souhaitent).

Le langage de programmation privilégié est Python, mais d'autres langages (C par exemple) ou bibliothèques externes peuvent être utilisés.

Le projet s'effectue par binôme au cours de séances sur machine et à travers un travail personnel.

Après une courte formation à la programmation sous arduino (entrées, sorties, interaction, moteur, montage de base). Les étudiants doivent faire un projet d'instrumentation. Soit pour coupler différents capteurs qui ne communiquent pas en temps normal, soit pour pouvoir faire de l'acquisition automatique sur une expérience.

Quelques exemples de réalisations :

• potentiostat en électrochimie
• capteur de CO,CO2
• Mesure d'une tension de surface par la méthode de Nouy
• banc d'analyse mécanique dynamique

Dans le cadre de l'UE Séminaires et Professionnalisation, les étudiant.e.s assistent chaque semaine à un séminaire donné par un.e chercheur.se invité.e à présenter son domaine et sa recherche. A ces séminaires spécifiques à la formation s’ajoutent les grandes conférences et « cours du Collège de France hors les murs » organisés par la FRAMA (Fédération de Physique de Lyon) avec des personnalités très prestigieuses, ainsi que le cyle de Conférences « Physique et Chimie au Printemps » (organisé par la FRAMA, les antennes locales de la Société Française de Physique et Société Française de Chimie) toutes sur le site Lyon Tech-Doua. Le créneau de Séminaires est aussi utilisé pour des réunions d’informations sur la formation et ses débouchés.