Introduction aux matériaux quantiques

Objectifs

La recherche scientifique sur les nouveaux matériaux qui montrent un comportement macroscopique déterminé par la mécanique quantique est un domaine extrêmement actif, tant du point de vue fondamental qu'appliqué. Ces systèmes présentent des propriétés électroniques originales qui remettent en cause les paradigmes établis pour comprendre la matière. Ils ouvrent aussi la voie à de nouvelles applications capable de donner naissance à des révolutions technologiques dans de nombreux domaines (électronique, télécommunications, etc.). La capacité de fabriquer et d'étudier de tels matériaux nécessite des outils expérimentaux et théoriques avancés. Cette semaine a pour objectifs d'introduire les concepts physiques de base et de présenter des méthodes expérimentales modernes permettant d'aborder les matériaux quantiques. En particulier, trois jours de travaux pratiques sont proposés pour se familiariser avec quelques unes des techniques expérimentales et numériques de pointe pour l'étude des propriétés quantiques de la matière électronique.

Evaluation

Oral

Programme

Jour 1 :
- Introduction sur les matériaux quantiques et les phénomènes associés.
- Comportement électronique dans les systèmes quantiques.
- Systèmes bidimensionnels et matériaux van der Waals.
- Gaz d'électrons bidimensionnels dans des puits quantiques de semi-conducteurs.

Jour 2 :
-Techniques expérimentales pour les propriétés électroniques (Spectroscopie de photoémission résolue en angle, Microscopie/spectroscopie à effet tunnel, Transport électronique quantique)
-Approches numériques aux propriétés électroniques de la matière (DFT).

Jour 3 :
TP : Synthèse du graphène par épitaxie par faisceau moléculaire et détermination de la structure électronique du graphène par spectroscopie de photoémission résolu en angle. Observation de la surface par STM à basse température avec résolution atomique.

Jour 4 :
TP : Transport électronique quantique sur gaz d'électrons 2D dans des puits quantiques AlGaAs/GaAs (Effet Hall quantique et oscillations Shubnikov–De Haas)

Jour 5 :
TP : Calculs de structure électronique de matériaux quantiques à l'aide du code open source DFT QUANTUM ESPRESSO

Pré-requis

Niveau L3-M1 Connaissances de base en mécanique quantique.

Equipe enseignante

Responsable : VLAIC Sergio

Nicolas Bergeal, Luca De Medici