Plateformes expérimentales

Le master de physique de Paris Diderot se singularise par une plate-forme expérimentale très diversifiée et tournée vers les enjeux de la physique moderne. Les sujets abordés vont bien au-delà des travaux pratiques habituels et se rapprochent de la recherche de pointe réalisée dans nos laboratoires.

Les Travaux pratiques d’hydrodynamique permettent d’illustrer les concepts introduits dans les différents chapitres du cours à l’aide d’expériences simples plutôt « coin de table ». Il s’agit de tester des lois établies à l’équilibre et dans différents régimes d’écoulement, et d’en déduire des propriétés ou grandeurs caractéristiques des liquides simples.

– Phénomènes capillaires et tension de surface : expériences qualitatives sur des films de savon, mesure de la tension de surface d’un liquide par les méthodes de Wilhelmy et de stalagmométrie, loi de Jurin décrivant la montée capillaire dans un tube, loi de Laplace décrivant la surpression liée à la courbure d’une interface.

– Régime visqueux : écoulement dans un tube (Loi de Poiseuille), écoulement autour d’une bille qui sédimente ou d’une bulle en ascension (Loi de Stokes).

– Régime inertiel : tube de Pitot, effet venturi, vidange de Torricelli, force de traînée sur une sphère mesurée en soufflerie, relation de dispersion des ondes de surfaces explorée dans les régimes capillaire et gravitaire.

Différents aspects de la physique subatomique sont abordés par la pratique expérimentale illustrant et complémentant les concepts établis et discutés en cours. Ils concernent la radioactivité avec les rayonnements alpha, beta, gamma et CE, l’existence de couples particule/antiparticule comme l’électron et le positron, l’interaction des photons avec la matière – et son exploitation pour la détection – qui inclut l’effet photo-électrique, l’effet Compton, la création de paires.

Les compétences visées dans ces travaux pratiques sont de se familiariser avec les méthodes de mesure et l’équipement du laboratoire en physique nucléaire et physique des particules. Ces méthodes sont utilisées pour comprendre des effets de physique subatomique mais aussi pour découvrir le fonctionnement du scanner PET utilisé en médecine via l’observation en coïncidence d’annihilations électron-positron.

Photo et schéma du dispositif pour la mesure de coïncidence. Base d’imagerie médicale PET.

Plus spécifiquement, les travaux pratiques développent un ensemble de techniques

– Le principe de fonctionnement du photomultiplicateur.
– La chaîne de détection scintillateur-photomultiplicateur avec la mise en forme analogique-numérisation.
– L’observation de signaux électroniques générés par des photons gamma et la réalisation de spectres et d’histogrammes. Caractérisation de la résolution d’un détecteur.
– La réalisation d’un étalonnage en énergie et son utilisation pour mesurer l’énergie d’une raie gamma inconnue.
– L’observation de la raie d’annihilation électron-positron dans le cas d’une source de sodium.
– La lecture de schémas de niveaux..

– L’observation pratique des lois de Poisson et de Gauss associées au comptage des désintégrations.
– L’utilisation d’un discriminateur pour déclencher une acquisition.
– La mesure de sections efficaces d’interaction plomb-photon, cuivre-photon, aluminium-photon et la caractérisation de ces sections en fonction du numéro atomique (Z) du matériau et de l’énergie du photon incident.
– La réalisation d’une chaîne de coïncidence à deux détecteurs.
– La mesure du plateau de coïncidences.
– L’utilisation de la chaîne de coïncidences pour étudier les corrélations angulaires dans le cas de l’annihilation électron-positron.

Prolongeant les notions abordées en cours, les Travaux Pratiques de Matière Condensée permettent par différentes techniques expérimentales, électrique et optique, de mettre en évidence diverses propriétés intrinsèques des matériaux semi-conducteurs.

Cinq sujets sont étudiés

Effet Hall dans des matériaux semi-conducteurs

Lorsqu’un échantillon semi-conducteur est traversé par un courant électrique I sous un champ magnétique B perpendiculaire à sa surface, il apparaît une tension transverse dite de Hall qui dépend en particulier de la nature des porteurs de charge (électron ou trou), de leur densité et de leur mobilité. Mettre en évidence expérimentalement l’effet Hall permet ainsi d’extraire ces paramètres intrinsèques.

Conductivité électrique d’un matériau semi-conducteur

A l’aide d’un élément chauffant et d’une mesure à quatre points, on peut caractériser le comportement en température (dans l’intervalle 300-450 K) d’échantillons semi-conducteurs par des mesures de résistivité afin d’extraire la valeur de l’énergie du gap Eg. On peut ainsi révéler les différents comportement intrinsèque et extrinsèque du matériau en fonction de la température.

Absorption optique dans les semi-conducteurs

A l’aide d’une lampe blanche et d’un spectromètre, on peut mesurer la transmission optique et la photorésistance (c’est-à-dire la résistance du matériau sous illumination) d’un cristal semi-conducteur et ainsi remonter à la mesure de son gap. Le gap apparaît alors de manière spectaculaire comme l’énergie minimale qu’il faut apporter à un semi-conducteur pour que des électrons le traversent.

Confinement quantique et Photoluminescence

A l’aide d’une excitation laser ainsi que d’un spectromètre associé à un détecteur InGaAs, on mesure le spectre d’émission d’une structure semi-conductrice composée de puits quantique de différentes épaisseurs. La photoluminescence ainsi obtenue, correspondant à l’absorption puis à la ré-émission de photons, permet d’observer l’impact du confinement quantique dans ces puits sur l’énergie de leur niveau fondamental.

Diffraction électronique et cristallographie

Les phénomènes de diffraction s’appliquent bien sûr à la lumière mais aussi aux ondes que sont les électrons. A l’aide d’un banc optique et d’un laser visible, on se familiarise avec la diffraction lumineuse en observant les figures de diffraction de différents réseaux bidimensionnels micrométriques. Le même principe s’étend ensuite à l’observation de figures de diffraction dans un microscope électronique à transmission. On utilise pour cela comme objet diffractant des lames minces de semi-conducteur. On peut ainsi en déduire la structure cristalline au matériau de manière quantitative.

L’enseignement de Nanosciences vise deux objectifs :

– présenter les principales techniques utilisées en recherche pour l’investigation de nano-objets

– illustrer les propriétés électroniques et optiques de nanomatériaux et de nanostructures particulières, tels que les nanotubes de carbone, le graphène ou les nanoparticules métalliques.
Les cours et travaux dirigés, focalisés sur les principes et la formalisation, sont idéalement complémentés par un ensemble riche de travaux pratiques qui permettent d’appréhender concrètement les concepts autour des systèmes nano. Ces TP s’appuient sur la plateforme de Nanosciences de l’UFR de Physique mutualisée pour les deux années de master.

Les travaux pratiques se déclinent suivant quatre grandes thématiques

Microscopie à effet tunnel

A l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) commercial (easyScan – Nanosurf), on peut réaliser des images topographiques jusqu’à la résolution atomique d’échantillons de graphite et de nanotubes de carbone. Le STM permet également de s’intéresser aux propriétés électroniques de ces matériaux à l’aide d’une étude spectroscopique locale.

Résolution atomique d’une surface de graphite (STM)

Microscopie à force atomique

A l’aide d’un microscope à force atomique (AFM) (Solver NT-MDT et/ou easyScan 2 Nanosurf), des images topographiques sont réalisées en mode contact et/ou tapping de nano-circuits, de bits d’un CD, de nanotubes de carbone. Les mesures spectroscopiques des courbes de force en fonction de la distance permettent de réfléchir aux interactions de courte portée pointe-surface. Le système Solver NT-MDT est particulièrement adapté à une approche pédagogique pour la compréhension du principe de fonctionnement de l’AFM.

Image AFM de nanotubes de carbone multiparois.

Microscopie électronique (MET, MEB)

A l’aide d’un microscope électronique à transmission (MET-Jeol), on peut réaliser l’étude d’une dispersion de nanoparticules métalliques de taille nanométrique (Ag, Au, CoPt). L’analyse d’images dans l’espace direct permet la détermination de la dispersion de la taille des nanoparticules observées et l’analyse des images dans l’espace réciproque donne accès au paramètre de maille des nanoparticules.

Image MET de nanoparticules de CoPt.

Plasmonique et nanoparticules

La réponse optique de nanoparticules métalliques est analysée par la réalisation de mesures de spectres de transmission et d’absorption de nanoparticules d’Au et d’Ag préparées dans différentes conditions (monocouches déposées, film mince d’épaisseur variable ou en solution). La comparaison avec la théorie permet de s’interroger sur l’influence que différents paramètres, tels que la forme, la taille ou la nature du métal ont sur la fréquence de résonance des systèmes explorés.