La matière condensée étudie les systèmes où les interactions et corrélations entre un grand nombre de constituants donnent naissance à des comportements collectifs et à des phénomènes émergents. Un de ses principaux sujets d’étude est l’état solide.
C’est un domaine extrêmement fertile et actif. C’est aussi le sous-domaine de physique qui compte de loin le plus de physiciennes et physiciens. C’est un domaine qui va des applications qui changent concrètement nos vies (comme les semiconducteurs pour l’éclairage, l’informatique, ou les communications) aux concepts mathématiques les plus abstraits qui tissent des liens vers d’autres disciplines (topologie, physique des hautes énergies, astrophysique, …) en passant par la chimie des matériaux.
Le cours et les travaux dirigés permettront notamment de répondre aux questions suivantes. Comment la matière est-elle structurée ? À quelle vitesse peut-on refroidir la matière en s’approchant du zéro absolu ? Qu’est-ce qui rend un matériau conducteur ou isolant ? Transparent ou opaque ? Que sont les quantas d’excitation dans la matière ? Quelle est la forme des ondes sonores classiques et quantiques ? Quels effets quantiques peut-on observer dans les conducteurs mésoscopiques ? Comment figer les électrons par le désordre ou les interactions ?
Parmi les thèmes de recherche actuels dans ce domaine, et qui nécessitent une bonne compréhension des bases données dans ce module, on peut citer le transport cohérent dans les systèmes mésoscopiques, la localisation d'Anderson et la localisation à N corps dans les systèmes désordonnés, les effets Hall quantiques entiers et fractionnaires, les phases de Berry et la topologie des bandes de Bloch, les isolants et semi-métaux topologiques, les instabilités des liquides de Fermi, les aspects modernes du magnétisme quantique (spinons, lacune de Haldane, liquides de spin et code torique), la condensation de Bose-Einstein, la superfluidité et la supraconductivité, les bits quantiques supraconducteurs et semi-conducteurs, la supraconductivité à haute température, les supraconducteurs topologiques et les fermions de Majorana. Le domaine a par ailleurs des liens directs avec d'autres domaines, en particulier les gaz atomiques ultra-froids, les cristaux photoniques et la science de l'information quantique.
Le cours de matière condensée introduit les bases de ce domaine. Il est donc essentiel pour suivre les modules plus spécialisés comme celui de supraconductivité, superfluidité et magnétisme, de physique quantique à N corps, de nanophysique et de phases topologiques.
Condensed matter physics studies systems in which interactions and correlations between many constituents give rise to collective behaviors and emergent phenomena. One of its main subjects of study is the solid state.
It is an extremely fertile and active field. It is also the subfield of physics that has by far the most physicists. It is a field that ranges from applications that concretely change our lives (such as semiconductors for lighting, computing, or communications) to the most abstract mathematical concepts that forge links to other disciplines (topology, high-energy physics, astrophysics, etc.), including materials chemistry.
The course and tutorials will address the following questions, among others. How is matter structured? How fast can matter be cooled as it approaches absolute zero? What makes a material conductive or insulating? Transparent or opaque? What are excitation quanta in matter? What is the shape of classical and quantum sound waves? Which quantum effects can be observed in mesoscopic conductors? How can electrons be frozen by disorder or interactions?
Current research topics in this field, which require a good understanding of this course, include coherent transport in mesoscopic systems, Anderson localization and N-body localization in disordered systems, integer and fractional quantum Hall effects, Berry phases and Bloch band topology, topological insulators and semimetals, Fermi liquid instabilities, modern aspects of quantum magnetism (spinons, Haldane gap, spin liquids, and toric code), Bose-Einstein condensation, superfluidity and superconductivity, superconducting and semiconductor quantum bits, high-temperature superconductivity, topological superconductors, and Majorana fermions. The field also has direct links to other fields, in particular ultracold atomic gases, photonic crystals, and quantum information science.
The condensed matter course introduces the basics of this field. It is therefore essential for following more specialized modules such as superconductivity, superfluidity, and magnetism; N-body quantum physics; nanophysics; and topological phases.
