Physique du solide

La physique du solide est l'étude des propriétés fondamentales des matériaux solides, cristallins (par exemple la plupart des métaux), ou amorphes (par exemple les verres) en partant autant que possible des propriétés à l'échelle atomique (par exemple la fonction d'onde électronique) pour remonter aux propriétés à l'échelle macroscopique. Bien que celles-ci présentent parfois de fortes réminiscences des propriétés microscopiques (par ex. transitions supraconductrices dans lesquelles des propriétés quantiques se manifestent de façon spectaculaire à l'échelle macroscopique) elles se présentent la plupart du temps comme des propriétés de continuité macroscopique (domaine des milieux continus) non directement déductibles des propriétés microscopiques. Tout l'art du physicien du solide est de mettre en relation des propriétés macroscopiques parfois très banales (ou très utiles) avec le phénomène à l'origine de celles-ci, phénomène qui souvent n'est pas prépondérant à l'échelle atomique.

La physique des solides présente donc de nombreux aspects :

• un aspect de physique quantique « pure et dure » adaptée au cas des solides ;
• un aspect de physique statistique ;
• un aspect de phénoménologie (par exemple dans le cas des transitions de phase dites du type Landau) ;
• un aspect géométrique et topologique (cristallographie ou utilisation des lois d'échelle) ;
• …

1. Historique

Étant donné que les problèmes abordés par la physique du solide se manifestent à l'échelle macroscopique par une phénoménologie des matériaux, on peut se demander dans quelle mesure le premier bronze des métallurgistes de la préhistoire n'est pas à classer parmi une des premières manifestation d'une science spécifiquement dévolue aux propriétés des solides. Rien de moins évident en effet que la combinaison deux métaux mous pour obtenir un métal dur ! On peut donc citer comme thésaurus du savoir sur les solides à la renaissance le traité d'Agricola De Re Metallica. Ensuite vient l'époque moderne ou la science des matériaux est le parent pauvre de la physique alors dominée par la mécanique céleste. La situation change avec la révolution industrielle et l'apparition de nouveaux domaines scientifiques : électricité, thermodynamique, etc. qui fournissent de nouveaux modèles de la matière au moment précis ou le développement de l'industrie métallurgique rend ceux-ci nécessaires. À partir de la fin du XIX^e siècle et au cours du XX^e siècle, découvertes,nouveaux outils et modèles se succèdent à un rythme accéléré : modèle de Drude, radiocristallographie, étude des propriétés des solides aux basses températures, introduction de la mécanique quantique, apparition du microscope électronique…

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