MATIÈRE (physique)État solide

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La matière se présente principalement sous trois états simples : gazeux, liquide et solide. Ce qui distingue l'état solide des deux autres états est l'incapacité d'une masse solide à épouser la forme du récipient dans lequel on la place ; en revanche, un gaz s'empresse d'envahir tout le volume qu'on lui offre et un liquide prend la forme de la partie du récipient qui le contient. Ce qui caractérise également un solide, c'est la résistance qu'il oppose à une force mécanique exercée sur sa surface ou encore à une force de cisaillement.

États désordonnés de la matière

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La nature assemble parfois magnifiquement les atomes pour donner l'ordre cristallin. Mais la matière est souvent dans un état désordonné où l'organisation des divers éléments est aléatoire. Ainsi, par exemple, l'état amorphe de l'opale tranche avec l'aspect ordonné du cristal de... 

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États de la matière

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La glace l'eau et la vapeur d'eau sont trois états différents formés à partir de la même molécule H20. On passe d'un état à un autre en changeant de température sans modifier la pression ou en changeant la pression : solide, liquide, gaz sont trois phases qui coexistent en général.Le... 

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À température suffisamment haute, toute matière se présente à l'état fluide, voire à l'état gazeux. En abaissant, à pression fixée, la température d'une masse de matière, on observe, en général, une transition vers l'état solide, qui se produit à une température caractéristique de la matière étudiée. Ainsi, à la pression atmosphérique et à la température appropriée, tous les corps (à l'exception de l'hélium) peuvent se présenter à l'état solide.

À une température et à une pression déterminées, peut-on prédire l'état stable sous lequel la matière nous apparaîtra ? La thermodynamique statistique répond en principe à cette question : c'est l'état pour lequel l'énergie libre de Gibbs (cf. thermodynamique) est minimale.

La physique des solides occupe un champ très vaste, aux frontières imprécises, qui a surtout été défriché au xxe siècle, en utilisant la mécanique quantique et la mécanique statistique quantique, disciplines récentes. Le rôle de la physique des solides est d'interpréter et éventuellement de prévoir, à l'aide de théories microscopiques, les propriétés structurelles des solides (arrangement spatial ordonné ou désordonné des atomes) et leurs propriétés mécaniques, électriques, thermiques, magnétiques et optiques. Selon la nature des atomes qui les composent, les solides se rangent dans des catégories variées : métaux, semi-conducteurs, isolants, supraconducteurs, solides magnétiques, polymères, verres, etc., aux propriétés extraordinairement diversifiées. Les retombées technologiques de la physique des solides sont immenses, tant par leur diversité que par leur importance économique : maîtrise des procédés métallurgiques, transistors et puces de tous les systèmes informatiques, lasers à semi-conducteur, mémoires magnétiques pour la lecture de l'information, détecteurs de rayonnements et de particules, etc. Au cours des années 1980, des découvertes très importantes ont été faites, tant du point de vue fondamental que des applications ; on peut citer l'effet Hall quantique, les quasicristaux (cf. quasicristaux), les supraconducteurs à haute température critique, les super réseaux à semi-conducteur et les multicouches métalliques magnétiques. De nouvelles techniques de préparation et d'analyse de couches ultraminces (quelques nanomètres d'épaisseur, soit quelques millionièmes de millimètres) permettent de nombreuses investigations sur les surfaces et les interfaces à l'état solide.

On se limitera ici aux aspects les plus fondamentaux, communs à tous les solides ou permettant de les différencier. Un solide contient un nombre d'atomes qui est de l'ordre du nombre d'Avogadro (NA = 6,02 × 1023). La connaissance des propriétés des atomes est indispensable au physicien, mais elle n’est pas suffisante : en effet, il est confronté à un nombre gigantesque d'électrons et de noyaux interagissant, essentiellement, par l'intermédiaire de forces coulombiennes. Le premier objectif du physicien devrait être de prédire comment, à l'état solide, ces atomes vont se structurer spatialement ; mais il est hors d'atteinte, même avec l'aide des moyens informatiques les plus puissants. La structure du solide étudié est donc une donnée de départ, déduite d'observations expérimentales, telles que la diffraction des rayons X ou des neutrons. Ce problème relève de la cristallographie (cf. cristaux). Est-on alors en mesure de prévoir les propriétés de ce système organisé d'électrons et de noyaux en interaction ? Le problème est encore beaucoup trop complexe et l'on est amené à faire une première approximation pour séparer l'étude des noyaux de celle des électrons. Cette approximation est une généralisation de celle qui est utilisée po [...]

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  • : docteur ès sciences, professeur des Universités, université de Picardie

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Daniel CALÉCKI, « MATIÈRE (physique) - État solide », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 23 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-solide/