Physique quantique : de la base aux nouvelles technologies

La physique quantique est la théorie qui a permis de relier le savoir scientifique acquis jusqu’au début du XX^ème siècle sur le rayonnement d’une part et la matière d’autre part. L’objectif de ce module est de donner aux élèves des notions de cette théorie à la base de toute la physique et la chimie moderne, afin qu’ils soient armés face aux enjeux des technologies et des innovations d’aujourd’hui et de demain.

Prérequis :

Le niveau scientifique acquis en classe préparatoire suffit à aborder ce cours, sauf en ce qui concerne la relativité restreinte, indispensable pour ce module, et trop rarement traitée dans ces classes. Une brève introduction y sera consacrée dans un cours préalable de mise à niveau. Il n’'est pas utile d’avoir déjà suivi une introduction à la physique quantique, parfois abordée en classe préparatoire.

Objectifs pédagogiques

Nous nous proposerons dans ce module d’appréhender les concepts révolutionnaires de la théorie quantique, impossibles à imaginer en théorie classique, selon la méthode pédagogique suivante :

- Nous reprendrons en cours (10h) les notions importantes établies dans le polycopié et les sites internet (libres) du cours étudiés  préalablement. Les propos du cours seront illustrés par des exemples concrets, soit qui permettront d’introduire les travaux dirigés si nécessaire, soit en exposant des concepts nouveaux comme l’effet semi-conducteur par exemple.

- En travaux dirigés (20h) seront abordés des exemples concrets comme le microscope à effet tunnel ou la résonance magnétique nucléaire. Des exposés sur des applications directes du cours seront réalisés en binômes et présentés à chaque début de TD.

- L’évaluation sera une moyenne de l’exposé réalisé en TD, d’1 test noté, et de la participation en TD.

Contenu - Programme
L'’électronique comprise dans nos téléphones portables, nos ordinateurs, nos appareils audio ou/et vidéo, nos voitures, repose sur l’'effet semi-conducteur, dont le principe est issu de la physique quantique. Le laser, qui émet des photons rendus cohérents par le mécanisme d’émission stimulée uniquement explicable en physique quantique, est utilisé dans des domaines aussi variés que la métallurgie (découpe, moule en 3D), ou la médecine (chirurgie de l'’oeil). En criminologie, les traces d'’un élément sont détectées en faisant résonner ces atomes avec un faisceau X ou ultraviolet. En médecine, les images spectaculaires de coupes du cerveau sont le résultat des interactions entre les spins du proton d’hydrogène et un champ magnétique radiofréquence. Le concept de fonctionnement des ordinateurs de demain (ordinateur quantique, Qbit) repose entièrement sur ces principes de base. Grâce à la théorie quantique, on manipule des atomes, des électrons, nous ouvrant les portes sur un monde nouveau : les nanosciences. Qui dit nanosciences, dit nano-objets (objets de très petite taille, de quelques atomes à quelques milliers d’'atomes) dont le comportement n’est pas régi par la physique classique dont nous sentons les manifestations autour de nous, mais bien par la physique quantique.