solide

État physique de la matière dans lequel les corps conservent leur forme et leur taille (contrairement aux liquides et aux gaz).

PHYSIQUE

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Les corps à l’état solide ont un volume défini, une forme propre et une masse volumique très élevée (largement supérieure à celle des corps à l’état liquide, à l’exception de l’eau).‬ De plus, ils sont incompressibles (leur volume ne peut pas être réduit par augmentation de la pression) et non expansibles. Ils sont également caractérisés par la résistance qu'ils opposent à une force mécanique exercée sur leur surface ou encore à une force de cisaillement.

Dans la matière à l'état solide, les atomes oscillent autour de positions fixes ayant une distribution soit arbitraire (solides amorphes), soit ordonnée (cristaux).

La matière solide étant composée d'atomes et de molécules, les propriétés du solide sont étudiées à partir de la nature des atomes qui le composent et de leur arrangement dans l'espace. La tâche la plus simple est d'étudier les cristaux dans lesquels l'arrangement des atomes ou des molécules est périodique dans l'espace(→ cristallographie).

1. Les solides ordonnés

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Le point de départ de la physique des solides est donc la cristallographie qui cherche à déterminer la structure des cristaux. Cette connaissance s'est beaucoup développée grâce à des instruments puissants de détermination des structures cristallines. Il s'agit de sources puissantes de rayons X, de neutrons et de microscopes électroniques à haute résolution qui permettent de « voir » les atomes.

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La simplicité géométrique des cristaux a permis d'appliquer la théorie quantique à ces systèmes composés d'un très grand nombre d'atomes. On a ainsi pu séparer le mouvement des noyaux lourds de celui des électrons légers. La dynamique des noyaux liés entre eux par des liaisons chimiques dues aux électrons peut se décrire par des vibrations collectives de ces noyaux se propageant dans tout le solide ; la quantification de ces vibrations conduit à la notion de phonons.

1.1. Propriétés des solides ordonnés

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La structure électronique (→ L'électron dans les solides) se décrit dans l'approximation à un électron par la théorie des bandes. On étudie ensuite l'interaction des électrons avec les phonons. Cette théorie simplifiée du cristal parfait permet de décrire de manière satisfaisante les propriétés élastiques (ductilité — capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre – et ténacité – énergie de déchirement), électriques (conductivité électrique), thermiques (chaleur spécifique, conductivité thermique) et optiques (indice de réfraction, absorption de la lumière) des solides cristallins.

1.2. Les « défauts » dans les solides ordonnés

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L'étape suivante a été d'étudier des perturbations à cet ordre périodique parfait par l'introduction des défauts. Les défauts cristallins du type « dislocations » régissent certaines propriétés mécaniques des métaux, comme la plasticité. Les impuretés chimiques jouent un rôle fondamental dans les semi-conducteurs. C'est grâce à l'introduction de ces impuretés (dopage) qu'on peut moduler les propriétés électroniques des dispositifs à semi-conducteurs. Toute la microélectrique est basée sur la possibilité de ces dopages à très petite échelle (de l'ordre du micromètre).

2. Les phénomènes collectifs

Un domaine important de la physique des solides est l'étude des phénomènes collectifs. Ceux-ci se produisent lorsque les particules sont en interaction. À haute température, l'agitation thermique l'emporte, et le système est désordonné (phase paramagnétique pour l'interaction entre spins électroniques). À basse température, l'interaction l'emporte, et un ordre à grande distance s'établit (phases ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques, par exemple).

Le magnétisme, la supraconductivité sont deux phénomènes collectifs typiques que l'on rencontre dans les solides. Ces effets sont décrits par la thermodynamique statistique des transitions de phase qui dégage les lois générales qui gouvernent ces phénomènes.

3. Les solides désordonnés

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Les physiciens s’intéressent également à des systèmes plus complexes où la périodicité du réseau cristallin a disparu : c'est la physique des milieux solides désordonnés. Il existe deux types principaux de désordre :

• un désordre de composition, où l'arrangement cristallin dans l'espace est conservé, mais où la composition chimique fluctue de place en place: c'est le domaine des alliages, dans lesquels on observe des transitions ordre-désordre ;

• un désordre géométrique, comme dans les verres ou les matériaux amorphes.

Là encore, on essaie de définir des propriétés macroscopiques moyennes par la mécanique statistique qui dégage des concepts généraux applicables à un grand nombre de systèmes différents. Le désordre peut également être macroscopique comme dans les matériaux composites.

Pour en savoir plus, voir l'article solidification.

4. Applications industrielles

Selon la nature des atomes qui les composent, les solides forment des catégories de matériaux extrêmement variées : métaux, céramiques, polymères, verres, semi-conducteurs, supraconducteurs…, présentant des propriétés extraordinairement diversifiées. Les solides et la physique des solides sont ainsi à l’origine d’applications technologiques très importantes, tant par leur diversité que par leur impact économique : procédés métallurgiques, composants électroniques des systèmes informatiques, lasers à semi-conducteur, mémoires magnétiques pour le stockage d’informations numériques, quasi-cristaux (solides dont la structure ordonnée n’est pas périodique), supraconducteurs à haute température critique, etc.