De l'atome au cristal : les propriétés électroniques des matériaux

Métaux, semi-conducteurs, ou même supraconducteurs transportant un courant électrique sans aucune résistance, les matériaux présentent une diversité de propriétés électroniques remarquable, mise à profit dans de nombreuses applications qui font partie de notre quotidien. La chimie de l'état solide, en explorant les très nombreuses combinaisons entre éléments pour élaborer des structures de plus en plus complexes, nous invite à un véritable jeu de construction avec la matière, source de nouvelles découvertes. En même temps, le développement de techniques permettant d'élaborer, de structurer, et de visualiser ces matériaux à l'échelle de l'atome, ouvre d'immenses perspectives. Des lois de la mécanique quantique qui régissent le comportement d'un électron, aux propriétés d'un matériau à l'échelle macroscopique, c'est une invitation au voyage au coeur des matériaux que propose cette conférence.

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Les volcans

Les volcans sont responsables de la formation de notre atmosphère et des continents, qui sont en quelque sorte l'écume magmatique de la Terre. Ils sont aussi un précieux outil d'échantillonnage de l'intérieur de la Terre, et leurs laves portent des informations précieuses sur la composition des roches profondes et inaccessibles dont elles sont issues. Il faut enfin voir chaque volcan comme le résultat superficiel des mouvements internes de grande ampleur qui affectent notre planète dans son ensemble. La volcanologie moderne s'attaque aux mécanismes des éruptions et repose sur des mesures systématiques des paramètres éruptifs. Les volcans sont de fantastiques systèmes physiques aux comportements originaux et variés, mais on peut les réduire à quelques lois simples. Comme dans d'autres domaines des Sciences de l'Univers, une éruption volcanique met en jeu nombre de phénomènes physiques distincts qui opèrent à des échelles très différentes. Les titanesques explosions volcaniques qui propulsent des milliards de tonnes de cendres dans la haute atmosphère trouvent leur origine dans de minuscules bulles de gaz. Le volcanologue doit comprendre les changements que subit un magma lorsqu'il franchit plusieurs kilomètres pour arriver jusqu'à la surface. Il ne peut observer ces changements et doit les reconstituer à l'aide des lois de la physique. Il ne peut disséquer un volcan et connaît mal sa structure interne car les techniques géophysiques d'auscultation sont limitées et grossières. Pour vérifier ses prévisions et calculs, il dispose de peu d'informations : quelques échantillons figés dans leur état final et quelques mesures globales comme la durée de l'éruption et la masse totale éjectée. C'est ce travail d'équilibriste qui rend son travail passionnant et qui nécessite un aller et retour constant entre son laboratoire et le terrain.

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Les neutrinos dans l'Univers

Notre corps humain contient environ 20 millions de neutrinos issus du big bang, émet quelques milliers de neutrinos liés à sa radioactivité naturelle. Traversé en permanence par 65 milliards de neutrinos par cm2 par seconde venus du Soleil, il a été irradié le 23 février 1987 par quelques milliards de neutrinos émis il y a 150000 ans par l'explosion d'une supernova dans le Grand Nuage de Magellan. Les neutrinos sont également produits dans l'interaction des rayons cosmiques dans l'atmosphère ou dans les noyaux actifs de galaxies… Quelle est donc cette particule présente en abondance dans tout l'Univers où elle joue un rôle-clé ? Inventé par W.Pauli en 1930 pour résoudre le problème du spectre en énergie des électrons dans la désintégration b, le neutrino fut découvert par F.Reines et C.Cowan en 1956, auprès du réacteur nucléaire de Savannah River (Caroline du Sud). Il n'a plus depuis quitté le devant de la scène, que ce soit chez les physiciens des particules, les astrophysiciens ou les cosmologistes. Cette particule élémentaire, sans charge électrique, n'est soumise qu'à l'interaction faible, ce qui lui permet de traverser des quantités de matière importantes sans interagir. En 1938, H.Bethe imaginait que des réactions nucléaires de fusion étaient au coeur de la production d'énergie des étoiles, en premier lieu le Soleil. Dans les années 60, les astrophysiciens se lancent dans la construction de modèles solaires et des expérimentateurs dans la construction de détecteurs pour les piéger. Il a fallu attendre 2002 pour comprendre que le déficit de neutrinos solaires observé (le célèbre "problème des neutrinos solaires") était dû à un phénomène lié à la mécanique quantique, appelé l'oscillation des neutrinos. La mise en évidence de cette oscillation a apporté la preuve décisive que les neutrinos avaient une masse non nulle. Nous ferons le point sur cette particule fascinante après les découvertes récentes.

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Qu'est-ce qu'une particule ? (les interactions des particules)

En principe, une particule élémentaire est un constituant de la matière (électron par exemple) ou du rayonnement (photon) qui n'est composé d'aucun autre constituant plus élémentaire. Une particule que l'on croit élémentaire peut par la suite se révéler composée, le premier exemple rencontrée ayant été l'atome, qui a fait mentir son nom dès le début du XXe siècle. Nous décrirons d'abord l'état présent des connaissances, résultat des quarante dernières années de poursuite de l'ultime dans la structure intime de la matière, de l'espace et du temps, qui ont bouleverse notre vision de l'infiniment petit. Puis, nous essaierons de conduire l'auditeur dans un paysage conceptuel d'une richesse extraordinaire qui nous a permis d'entrevoir un peuple d'êtres mathématiques - déconcertants outils permettant d'appréhender des réalités inattendues - et dans lequel de nombreuses régions restent inexplorées, où se cachent sans doute des explications sur la naissance même de notre univers.

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