MASTER DE PHYSIQUE M2 - 2ème Année

SPÉCIALITÉ : Concepts Fondamentaux de la Physique

Parcours : Physique de la Matière Condensée

2009-2010

Septembre 2009

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MASTER DE PHYSIQUE FONDAMENTALE ET APPLIQUÉE

Spécialité : Concepts Fondamentaux de la Physique Parcours : Physique de la Matière Condensée

Ce Parcours est commun aux Universités scientifiques Paris VI, VII, XI, à l'Ecole Normale Supérieure et à l'Ecole Polytechnique.

Site de la Spécialité : http://www.phys.ens.fr/enseign/webM2CFP/ Site du Parcours : http://www.lps.u-psud.fr/spip.php?rubrique212&lang=fr

Professeur responsable fédéral : M. Michel Héritier Laboratoire de Physique des Solides Bâtiment 510 Tél. : 01 69 15 69 34 91405 Orsay e-mail : heritier@lps.u-psud.fr Correspondant Paris VI : Jérôme Tignon (jerome.tignon@lpa.ens.fr Tel. 01 44 32 33 54) Correspondant Paris VII : Alain Sacuto (alain.sacuto@univ-paris-diderot.fr Tel. 01 57 27 62 36) Correspondant ENS : Jean-Marc Berroir (berroir@lpa.ens.fr Tel. 01 44 32 33 61) Correspondant Polytechnique : Antoine Georges (georges@cpth.polytechnique.fr Tel. 01 69 33 40 92) Enseignants : Professeurs : M. Brune, V. Croquette, B. Deloche, M. Gabay, A. Georges, C. Glattli, P. Grangier,

M. Héritier, A. Jagannathan, P. Lafarge, J. Lesueur, G. Nogues, P. Pieranski, S. Ravy, C. Ricolleau, A. Sacuto, P. Simon, O. Stephan, A. Thiaville, J. Tignon

Maîtres de Conférences : J. Cambedouzou, Y. De Wilde, R. Ferreira, JN. Fuchs, M. Kociak

T. Kontos, D. Le Bolloc’h, R. Lobo, A. Meglio, O. Parcollet, KV. Pham, O. Plantevin, D. Roditchev

Secrétariat : Sophie Tourlet Bâtiment 510 - Orsay Tel. : 01 69 15 80 28 Fax : 01 69 15 69 36 e-mail : tourlet@lps.u-psud.fr Formation souhaitée : Suivre avec profit l'enseignement du parcours de M2 « Physique de la Matière Condensée » nécessite une formation de Physique générale, comprenant quatre années d'études supérieures, de type M1, Magistère ou Ecole d'Ingénieurs. De bonnes bases en mécanique quantique et en mécanique statistique sont particulièrement souhaitables. Le Magistère ou le M1 de Physique Fondamentale sont donc des formations bien adaptées à ce Parcours. Le choix de l'enseignement à option en M1 (champs et fluides, matière condensée, nanophysique, astrophysique, etc.) n'est pas déterminant. Par contre, il est nécessaire d'avoir obtenu le M1 avec mention. Caractéristiques de l'enseignement : Le Parcours « Physique de la Matière Condensée » donne une formation de caractère général qui recouvre l’ensemble de la physique de la matière condensée. L'enseignement théorique (cours et travaux dirigés) est concentré sur deux jours et demi par semaine, le mercredi et le jeudi matin à Orsay, le vendredi à Paris ; le reste de la semaine est entièrement réservé au travail personnel.

Le parcours et la formation doctorale sont organisés en deux semestres : • le premier semestre comporte un tronc commun, comportant quatre cours magistraux (et les

travaux dirigés associés), un enseignement sous forme de séminaires et un enseignement expérimental.

• le deuxième semestre est constitué d’enseignements à option choisis parmi les options du parcours Physique de la Matière Condensée et parmi les options des trois autres parcours de la spécialité (avec accord de M. Héritier).

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ENSEIGNEMENT DE TRONC COMMUN (premier semestre, S1)

Cours : I - Structure de la matière condensée (1er semestre ; 6 ECTS) Bertrand DELOCHE et Sylvain RAVY II – Des électrons libres aux électrons corrélés (1er semestre ; 6 ECTS) Alain SACUTO III - Physique statistique et transitions de phase. Electrons corrélés. (1er semestre ; 9 ECTS) Michel HERITIER IV - Théorie statistique des champs (1er semestre, 6 ECTS) Pascal SIMON Séminaires expérimentaux : Effets de cohérence dans les systèmes électroniques confinés (1er semestre, 3 ECTS ) Jérôme LESUEUR Tutorats et Travaux Dirigés : En plus des TD, un enseignement moins dirigé sous forme de tutorat est proposé aux étudiants, donnant lieu à des contacts avec des chercheurs autour de certains sujets du cours. Travaux Pratiques : Chaque étudiant est tenu à suivre 3 journées de Travaux Pratiques en liaison avec le cours de structure de la matière condensée, durant les mois de Novembre et Décembre.

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COURS DE BERTRAND DELOCHE ET SYLVAIN RAVY – TD DE DAVID LE BOLLOC’H, CHRISTIAN RICOLLEAU, OLIVIER PLANTEVIN ET JULIEN CAMBEDOUZOU

Structure de la matière condensée Introduction : ordre et désordre dans la matière A. Eléments de cristallographie : - Réseaux - Symétries d'orientation, de position - Groupes d'espace Applications : - Transitions de phases structurales, notion de paramètre d'ordre - Lois de Curie B. Interaction rayonnement - matière : - Rayonnement X et neutrons :

• diffraction par les cristaux parfaits - Diffusion des neutrons :

• diffusion cohérente et incohérente • diffusion élastique : ordre nucléaire et ordre magnétique • diffusion inélastique : cas des excitations collectives

- Diffusion des rayons X :

• effet du désordre sur la diffraction • notion d'ordre local

C. Applications à l'étude de la matière mal ordonnée : - Ordre local dans les amorphes et les liquides. - Ordre orientationnel, ordre translationnel dans les cristaux liquides. - Dimension de chaines polymère en solution et à l’état fondu. - Effet d’écrantage de volume exclu.

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COURS DE ALAIN SACUTO – TD DE RICARDO LOBO

Des électrons libres aux électrons corrélés

I. Le transport électronique classique et ses limites

- Expériences de Tolman-Stewart et de Kettering et Scott - Conductivité électrique/thermique

II. Le transport électronique semi-classique

- Equation de Boltzmann : conductivités électrique et thermique - Evolution de la densité d’états autour du niveau de Fermi - Le paramagnétisme de Pauli/ évocation du ferromagnétisme de Stoner - Applications aux semi-conducteurs et cuprates supraconducteurs

III. Les phonons et leur implication dans le transport

- Les modes optiques et acoustiques - Les modes normaux et le passage à la quantification : phonon - Le rôle des phonons dans le transport électrique et thermique - Applications aux semi-conducteurs et cuprates supraconducteurs

IV. Approximation des liaisons fortes

- Les combinaisons linéaires d’orbitales atomiques - Structures de bandes électroniques : applications aux conducteurs organiques quasi 2D

et 1D - Densité d’états généralisée - Masse effective, Oscillations de Bloch

V. Introduction au transport quantique

- Equation de Landauer pour un fil et un ruban - Description des électrons dans une hétérostructure : formalisme des fonctions

enveloppes - Quantification de la conductance : expérience de van Wees - Equation du Buttiker : transport dans des systèmes quasi 1D diffusifs

VI. Effet Hall Quantique entier

- Niveaux de Landau - Oscillations de Shubnikov de Haas - Plateaux de la résistance de Hall

VII. La seconde quantification

- Les opérateurs de création et d’annihilation - Les opérateurs à 1 et 2 corps seconde-quantifiés - L’interaction électron-électron - L’interaction électron-phonon

VIII. Notion de liquide de Fermi

- Le concept de quasi particules - Sonder les quasi-particules (ARPES, Raman, infrarouge, STM)

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COURS DE MICHEL HERITIER – TD DE ANU JAGANNATHAN

Physique statistique et transitions de phases

- Modèle d'Ising à une dimension et à deux dimensions. - Transitions de phase : généralités, symétrie brisée, modèle de Landau, recherche des

paramètres d'ordre, ordre des transitions, modes de Goldstone, rigidité généralisée. - Approximations de champ moyen : méthodes variationnelles, méthode de Bragg-

Williams, champ moyen, théorie de Landau, approximation gaussienne. - Phénomènes critiques : exposants critiques, lois d'échelle, universalité, hypothèse

d'homogénéité, groupe de renormalisation. - Transition de Kosterlitz-Thouless - Applications aux cristaux liquides, à la percolation, aux polymères. - Le gaz d'électrons : gaz quantique, premières approches perturbatives, méthode de la

phase aléatoire, modèle du jellium,

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COURS DE PASCAL SIMON – TD JEAN-NOËL FUCHS

Théorie statistique des champs

La théorie des champs s'avère alors un outil très puissant pour étudier les excitations collectives de basse énergie dans les systèmes fortement corrélés en matière condensée. Ce cours a pour but d'introduire les étudiants de deuxième année de Master à certaines applications récentes de la théorie statistique des champs à la matière condensée. 1) Mécanique statistique à l'équilibre (quelques rappels)

2) Calcul de fonctions de corrélations par l'intégrale fonctionnelle

3) Applications aux systèmes élastiques

4) Méthodes de calcul par l'intégrale fonctionnelle (diagrammatique)

5) Intégrale fonctionnelle pour le problème quantique à une particule

6) Généralisation aux systèmes à N particules indiscernables

7) Fonctions de réponse linéaire

8) Quelques applications de la réponse linéraire aux systèmes

quantiques

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SEMINAIRES EXPERIMENTAUX DE JEROME LESUEUR

Effets de cohérence dans les systèmes électroniques confinés Lorsqu’on réduit la dimension d’un système électronique, les conditions aux limites génèrent des interférences, et l’on peut ainsi observer des effets de cohérence quantique. Grâce aux outils modernes de lithographie, il est possible aujourd’hui de fabriquer des nanostructures, et de confiner les porteurs à 2, 1 voire zéro dimension. Des instruments comme le Microscope à Effet Tunnel ou le Microscope Optique en Champ Proche permettent d’observer directement les effets de ce confinement sur le système d’électrons. Au cours de cette série de séminaires, nous présenterons successivement plusieurs expériences récentes qui illustrent ces idées, en mettant en avant les techniques utilisées et leurs performances, qui permettent d’accéder assez directement aux propriétés quantiques de la matière condensée.

Introduction aux effets de cohérence dans les systèmes électroniques confinés (Jérôme Lesueur, ESPCI)

Transport électronique à travers des contacts ponctuels (Takis Kontos, ENS) Observation locale d’interférences quantiques électroniques par STM (Dimitri Rodichev,

INSP) Ondes électromagnétiques de surface détectées par champ proche optique (Yannick De

Wilde, ESPCI)

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ENSEIGNEMENT EXPERIMENTAL

CHRISTIAN RICOLLEAU, DAVID LE BOLLOC’H, OLIVIER PLANTEVIN, JULIEN CAMBEDOUZOU, BERTRAND DELOCHE

Cet enseignement est axé sur quelques expériences de diffraction de rayons X, donnant accès à l’organisation de la matière dans différents états. Les sujets traités et les approches utilisées sont les suivants :

Etude structurale d’un cristal (montages du cristal tournant et de Debye-Scherrer)

Etude de la symétrie dans un cristal

(montage de Laue) Etude structurale d’un alliage ordonné et désordonné

(montage du diffractomètre θ - 2θ) Etude d’un copolymère à blocs, en phase ordonnée

(montage de diffraction aux petits angles de type Kratky) Etude de l’ordre dans un cristal liquide

(montage de diffraction, sous champ magnétique)

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ENSEIGNEMENT A OPTION (deuxième semestre, S2)

Les enseignements de tronc commun sont complétés par des enseignements à options, qui ont lieu au cours du deuxième semestre. Les options évoluant en fonction de l’actualité des thèmes de recherche, les cours d’options proposés actuellement par le Parcours de Physique de la Matière Condensée sont indiqués ci-dessous. Les étudiants devront suivre 4 cours d’options. Deux options de type A à choisir parmi les suivantes :

- Electrons corrélés, magnétisme, supraconductivité (M. Héritier) - Théorie quantique des champs en matière condensée (P. Simon) - Méthodes modernes du problème à N corps (A. Georges) - Physique mésoscopique : conducteurs quantiquement cohérents (C. Glattli)

Deux options de type B à choisir parmi les suivantes :

- Interface physique-biologie - La matière condensée désordonnée : du transport à l'élasticité - Nanophysique : microscopies et transport quantique dans les nanostructures - Semiconducteurs et nanostructures semiconductrices - Matière molle : liquides organisés et polymères - Information quantique

Bien entendu, les cours d’options B peuvent également être choisis parmi ceux proposés par les autres parcours de la Spécialité « Concepts Fondamentaux », en accord avec M. Héritier.

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MICHEL HERITIER (COURS) ; ANU JAGANNATHAN (TD)

Electrons corrélés - Magnétisme - Supraconductivité Le Mercredi à partir de 9 h

1- Théorie de Landau des liquides de Fermi normaux Notion de liquide de Fermi normal. Notion de quasiparticule. Rôle de la statistiquede

Fermi-Dirac sur leur temps de vie. Théorie de Landau ddes liquides de Fermi normaux. Zéro son 2- Les instabilités de la surface de Fermi 3- Magnétisme itinérant : Introduction, théorie de Stoner, ondes de densité de spin, ondes de densité de charge, magnons. Ondes de densité de spin induites par un champ. Nouveau mécanisme auto-cohérent et coopératif de la quantification de l’effet Hall 4- Magnétisme localisé : Echange, état d'équilibre, état fondamental, champ moléculaire à température finie, structures magnétiques, couplage magnéto-cristallin, parois et domaines, hysteresis, ondes de spin. 5- Au delà du liquide de Fermi : Transition de Mott, électrons à une dimension, liquides de Luttinger, conducteurs quasi-1D 6- Supraconductivitéconventionnelle : Faits expérimentaux, théorie phénoménologique de Landau-Ginzburg, théorie microscopique de Bardeen-Cooper-Schrieffer, 7- Supraconductivité non – conventionnelle :

Fermions lourds. Supraconducteurs organiques. Transitions de phase supraconductivité singulet – Supraconductivité triplet induites par un champ. Les supraconducteurs à haute Température critique.

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PASCAL SIMON (COURS) ; JEAN-NOËL FUCHS (TD)

Théorie quantique des champs en matière condensée Le Mercredi à partir de 14 h

La physique de la matière condensée s'intéresse principalement aux systèmes à N particules en interaction. Pendant de nombreuses décennies, la physique de la matière condensée a reposé sur le paradigme du liquide de Fermi, développée par Landau. En son sein, se trouve le concept de quasi-particules, à partir duquel les excitations d'un système en interaction peuvent être reliées continuement à celles d'un système sans interaction. Néanmoins, il est des systèmes en forte interaction dont les excitations sont collectives et ne peuvent être décrites par des quasi-particules. C'est notamment le cas de la physique des transitions de phase, des systèmes de basse dimensionalité, de la supraconductivité, etc... La théorie des champs s'avère également un outil très puissant pour étudier les excitations collectives de basse énergie dans les systèmes fortement corrélés en matière condensée. Ce cours a pour but de familiariser les étudiants de troisième cycle à certaines applications récentes de la théorie (quantique) des champs à la physique de la matière condensée. Le plan du cours devrait être le suivant:

1) Transition de phases et groupe de renormalisation (quelques rappels) 2) Etude de systèmes magnétiques classiques de basse dimensionalité (modèle sigma non-linéaire)

3) Systèmes de spins quantiques en basse dimension. 4) Intégrales de chemin pour les bosons et fermions

5) Systèmes fermioniques en interaction à une dimension: Bosonisation et liquide de Luttinger 6) Applications aux chaînes de spin, aux fils quantiques, aux nanotubes de carbone, aux états de bord de l'effet Hall quantique, aux gaz d'atomes froids, etc ...) 7) Problèmes d'impuretés dans les systèmes quantiques à une dimension (étude de l'effet d'une impureté non-magnétique par le groupe de renormalisation, étude d'une impureté magnétique et problème Kondo) 8) Systèmes fermioniques à deux dimensions. Graphène et équations de Dirac (si le temps le permet).

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ANTOINE GEORGES (COURS) ; OLIVIER PARCOLLET (TD)

Methodes modernes du problème à N corps

Le Mardi à partir de 9 heures 30 Ce cours constitue une introduction aux méthodes modernes du problème à N corps. Certaines techniques employées sont proches de celles introduites dans le cours de théorie des champs (fonctions de Green, méthodes diagrammatiques). On présentera également des techniques adaptées à la limite de couplage fort. On s’efforcera, sur des exemples simples, de faire le lien entre les méthodes théoriques introduites et des effets physiques observés. Ces exemples seront empruntés à la physique des solides. Cette année, le cours envisagera aussi des effets d’interactions entre électrons dans les systèmes mésoscopiques.

Contenu prévu du cours, à titre indicatif: 0. Introduction. Notions importantes: Etat fondamental, excitations élémentaires et leur description par une théorie effective à basse énergie. Exemples physiques. 1. Rappels de seconde quantification et fonctions de Green. Fonctions de Green pour le problème à N corps, à T=0. Cas des fermions libres. Expression des valeurs moyennes d’observables. Contenu physique des fonctions de Green: lien avec le spectre d’excitations. Notion de "quasiparticule". Expériences de photoémission. 2. Fonctions de Green à température finie, formalisme de Matsubara 3. Modèle d’Anderson: impuretés magnétiques dans les solides, et points quantiques. Dans ce chapitre, on montrera comment un même modèle (le modèle d’Anderson à une impureté) permet de décrire une impureté magnétique dans un métal, et de modéliser les ”points quantiques” dans les gaz d’électrons bidimensionnels. 4. Solutions approchées et phénoménologie du modèle d’Anderson. On montrera comment des méthodes approchées permettent le traitement du régime haute température, et le phénomène de blocage de Coulomb dans les points quantiques. A basse température, un nouveau phénomène apparait: l’effet Kondo, qu’on traitera par des méthodes de champ moyen et qui affecte profondément le blocage de Coulomb. 5. Traitement perturbatif des interactions dans un système de fermions. Représentation d’interaction, matrice S. Développements diagrammatiques (règles de Feynman). Temps de vie des quasiparticules et théorie de Landau. Fonctions de Green à deux particules et fonctions de réponse. 6. Quelques notions sur la transition de Mott. On donnera un apercu du phénomène de localisation par les interactions (transition de Mott), et des traitements théoriques permettant de le comprendre. Des illustrations seront données dans les solides corrélés (oxydes) et les systèmes de bosons (atomes froids).

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COURS ET TD : CHRISTIAN GLATTLI, PHILIPPE LAFARGE

Physique Mésoscopique : Conducteurs quantiquement cohérents

Le Vendredi à partir de 9 heures

I. Approche de diffusion (scattering) du transport électronique quantique ( 9h ) - Introduction: longueur de cohérence, réservoirs d'électron, courant en seconde quantification. - Le quantum de conductance - Formule de Landauer pour un conducteur multimode - Généralisation à des conducteurs multi-contacts II. Fluctuations du courant ( 5h ) - Fluctuations à l'équilibre - La formule de Kubo à partir du scattering. III. Application à un conducteur diffusif ( 4h ) - Conductivité de Drude quantique et distribution de transmission - Moyenne d'ensemble et fluctuations universelles de conductance - Localisation faible IV. Effet Hall Quantique (3h) - Les niveaux de Landau - Les états de bords - Application de la formule de Buttiker aux conducteurs multi-contacts 2D V. Dispositifs à blocage de Coulomb (6h) - Introduction : quantification de la charge, blocage capacitif, énergie de charge - La jonction tunnel - Circuits élémentaires : boîte à électrons, transistor à un électron, - Diamants de Coulomb, escalier de Coulomb VI. Effet tunnel et effet de charge (3h) - Co-tunneling - Blocage de Coulomb dynamique et théorie de l'environnement VII. Supraconductivité mésoscopique (3h) - Effets de parité - Compétition effet Josephson - blocage de Coulomb

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VINCENT CROQUETTE (COURS) ; ADRIEN MEGLIO (TD)

Interface Physique-Biologie

Le Vendredi à partir de 14 heures Le but de ce cours est de présenter différentes problématiques biologiques abordées par les physiciens. La compréhension des problèmes posés par la biologie nécessite de développer de nouveaux outils physiques, que nous essayerons de vous présenter. Le plan sera en gros le suivant : 1- Rappels de biologie moléculaire

-Les polymères du vivant On traitera successivement des polymères « idéaux » puis des polymères ayant des interactions (électrostatiques, volume exclu…). On discutera alors des cas de l’ ADN double brin, simple brin, et des protéines. Nous présenterons un modèle simplifié de protéines pour comprendre leur repliement.

-Les outils traditionnels d'étude Introduction rapide aux méthodes classiques de séparation, de détermination des structures des macromolécules biologiques. Apport de la biologie moléculaire. - Notion de biochimie Introduction à la cinétique enzymatique et à la notion d’ interactions moléculaires. Importance des relations fonctions/structures. 2- Biophysique de la molécule unique On peut aujourd’hui manipuler et/ou visualiser une molécule unique d’ADN ou de protéine, ce qui permet d’observer des comportements individuels et non plus des moyennes d’ensemble.

-Les techniques de micromanipulation Description comparative des différentes techniques utilisées (AFM, pinces optiques, pinces magnétiques, micro pipette). Mesure de forces et de distances à l’échelle du picoNewton et du nanomètre. - Visualisation de molécule unique Principe de détection optique, accès à des déplacements de l’ordre du nm (FRET…).

-Courbe de force d'un polymère Elasticité d’une macromolécule UNIQUE. Comparaison théories/expériences.

-Moteurs moléculaires Présentation des enzymes impliquées dans la contraction musculaire, et de quelques protéines interagissant avec l’ADN. Intérêt des expériences sur molécules uniques. Présentation des enzymes agissant sur l'ADN (polymérases, topoisomérases, hélicases..) dans le cadre biologique et apport des expériences. Nous organiserons une visite des laboratoires de l’ENS impliqués dans cette thématique pendant un des TD

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MARC GABAY (COURS) ; KHUÔN-VIÊT PHAM (TD)

La Matière condensée désordonnée : du transport à l’élasticité Le Vendredi à partir de 13 h 30

La physique des solides a connu ses développements les plus brillants autour du concept d’ordre macroscopique, représentatif de l’état fondamental de la matière ; les défauts ont ainsi été conçus comme des perturbations plus ou moins fortes par rapport à cette situation. Toutefois, l’étude des effets de la dimensionnalité et du désordre sur les transitions de phases, sur le transport électronique et sur l’élasticité des milieux s’est progressivement imposée comme un domaine fondamental de la matière condensée : ces phénomènes sont observés de façon universelle dans les matériaux, et sont de nature aussi bien classique que quantique. Leur compréhension est indispensable à la maîtrise des performances des interconnexions des circuits électroniques de même que des détecteurs d’ondes électromagnétiques de haute fréquence ou les composants électroniques de nouvelle génération. Cette option l’illustrera, en présentant un fil directeur menant de la localisation à l’élasticité désordonnée. La localisation : Manifestations expérimentales en transport ; localisation faible, localisation forte. Longueurs, énergies, paramètres caractéristiques. Rôle des effets quantiques et de la dimension. Analyse perturbative de la localisation faible et interprétation à l’aide de la probabilité de retour à l’origine. Lois d’échelles et conséquences selon la dimension. Résultats exacts à une dimension. Influence du champ magnétique ou du couplage spin-orbite. Influence de la localisation faible sur le transport ; conductance et rigidité spectrale. Formule de Thouless. Retour sur l’expérience. La transition supraconducteur-isolant. Un deuxième volet de cette étude concernera le problème ouvert de la localisation d’un système lorsqu’on inclut l’effet des interactions. Cette question concerne la physique des systèmes corrélés, celle des systèmes méso- et nano- scopiques. Nous limiterons l’analyse au cas des systèmes unidimensionnels, pour lesquels on sait déterminer « exactement » l’influence relative du désordre et des interactions dans certaines limites. L’élasticité désordonnée : Systèmes expérimentaux (ondes de densité de charge, cristal de Wigner, réseaux de vortex, bulles magnétiques). Effet des impuretés sur l’ancrage et l’élasticité. Régimes faiblement et fortement désordonnés ; critère d’Imry et Ma. Piégeage individuel et piégeage collectif dans la limite faiblement désordonnée ; régimes associés. Longueur de Larkin. Rôle de la dimensionnalité. Verre de Bragg. Tests expérimentaux.

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COURS : ODILE STEPHAN ; ANDRE THIAVILLE ; MATHIEU KOCIAK

Nanophysique

Le Mardi à partir de 14 heures Il est aujourd’hui possible, grâce aux techniques de synthèse et de nanofabrication, de réaliser de nouveaux systèmes de dimensions nanométriques qui présentent des propriétés spectaculaires liées à leurs faibles dimensions (propriétés optiques, propriétés de transport, nanomagnétisme par exemple). Outre l'intérêt qu'ils présentent pour de nouvelles applications, ils constituent des systèmes modèles pour la mise en évidence d'effets physiques fondamentaux (transport polarisé en spin : magnéto-résistance géante et transfert de spin, exaltation optique). La compréhension de tels effets ne peut se faire sans une caractérisation préalable à des échelles nanométriques, voire subnanométrique de la structure et des excitations de ces systèmes, rendue récemment possible par la mise au point de techniques de microscopies à haute résolution spatiale et de modes spectroscopiques associés. Dans ce cours, nous présenterons quelques phénomènes physiques propres à ces nano systèmes ainsi que les techniques développées spécifiquement pour créer, manipuler et observer des objets à ces échelles, ainsi que pour en mesurer les propriétés. Un plan indicatif du cours est :

I- Introduction - Quelques exemples de problématiques traitées dans le cours - Echelles caractéristiques (rapports d'aspects, libres parcours moyens, longueurs de cohérences, longueurs de diffusion...) - Nouvelles structures: systèmes unidimensionnels (nanofils métalliques, nanotubes...), bidimensionnels (multicouches magnétiques...), tridimensionnels (agrégats...)

II- Microscopies et spectroscopies II.1 Microscopie électronique en transmission

- Imagerie haute résolution: imagerie de réseaux d'atomes, d'interfaces et de défauts - Spectroscopie de perte d'énergie électronique: cartographie des états électroniques inoccupés et des propriétés optiques à l'échelle nanométrique

- Application: o cartographie chimique de nanotubes hybrides o Structure électronique aux interfaces magnétiques o Mesure de gap optique dans des nanotubes

II.2 Microscopies à pointe - Microscopie à effet tunnel (STM) : effet tunnel, mode topographique, spectroscopie

tunnel, STM polarisé en spin - Microscopie à force atomique (AFM) : forces en jeu, mode statique, mode dynamique - Microscpie à force magnétique (MFM), application aux nanostructures magnétiques - Microscopie à force électrique (EFM) - Microscopie en champ proche optique (SNOM)

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III. Nano-optique : Propriétés optiques de nanoparticules métalliques III.1 Propriétés optiques des matériaux de volume III.2 Propriétés optiques d’une assemblée de nanoparticules indépendantes : rôle des plasmons de surface III.3 Distribution du champ électromagnétique sous longueur d’onde : concept de densité d’états électromagnétiques locale

IV. Transport dans les nanostructures magnétiques

IV.1 transport dans les ferromagnétiques, modèle à 2 courants IV.2 magnéto-résistance géante (GMR)

- configuration CIP : effet du libre parcours moyen - configuration CPP : effet de la diffusion des électrons - configuration non-locale

IV.3 magnéto-résistance tunnel IV.4 transfert de spin

- retournement d'aimantation - dynamique d'aimantation sous courant continu - cas des aimantations non uniformes

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ROBSON FERREIRA (COURS) ; JEROME TIGNON (TD)

Semiconducteurs et Nanostructures semiconductrices

Le Lundi à partir de 9 heures

Le contrôle du processus de fabrication des cristaux semiconducteurs rend sans conteste ces matériaux sources de nombreuses utilisations : diodes, transistors, lasers par exemple. Il permet aussi d’importantes et très vivantes études fondamentales. On peut citer les travaux sur l’effet Hall quantique, le transport mésoscopique, le confinement d’électrons et de photons. C’est en fait un domaine où la physique quantique fondamentale du solide et les applications “hautes technologie “sont intimement liées.

Des progrès majeurs ont été effectués depuis que l’on sait contrôler à une monocouche atomique près les épaisseurs des couches planaires, rendant possible la fabrication de multicouches aux propriétés fondamentalement nouvelles liées au caractère bidimensionnel du système. Plus récemment, on a su structurer latéralement ces couches de manière à obtenir des systèmes unidimensionnels et même zéro-dimensionnels, à une échelle, bien inférieure au micromètre donc nanométrique, où la description quantique est indispensable.

Ce cours traite des propriétés électroniques fondamentales de ces nanostructures de semiconducteurs (puits quantiques et super-réseaux, fils et boîtes quantiques) en rappelant celles des matériaux massifs. Il décrit d’abord les états électroniques, avant d’envisager l’étude des propriétés optiques fondamentales à l’origine de différentes applications de ces nano-objets. • Propriétés électroniques des nanostructures Modèle k.p et fonctions enveloppes. Masse effective et impuretés. Dopage, modulation de dopage. Effets des champs électrique et magnétique. Hétérostructures de semiconducteurs. • Propriétés optiques Modèles classique et semiclassique. Absorption optique : massif et systèmes à dimension réduite. Photoluminescence. Structures Laser à base de puits quantiques. Excitons. Polaritons dans microcavité. Laser de polaritons. Les boîtes quantiques : des macro-atomes dans une matrice cristalline. Interaction électron-phonon et relaxation.

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BERTRAND DELOCHE, PAWEL PIERANSKI (COURS)

Matière Molle : Liquides Organisés et Polymères Le Vendredi à partir de 9 heures

Un grand nombre de systèmes (naturels ou synthétiques) ont des propriétés physiques intermédiaires entre celles des solides cristallins et celles des liquides ordinaires. Beaucoup de ces systèmes relèvent de la matière molle, domaine d’actualité qui s’étend « des matières plastiques aux bulles de savon ». Dans ce cours, on s’intéressera à deux grandes classes de systèmes moléculaires, cristaux liquides et polymères, qui permettent d’introduire des concepts généraux de la physique statistique de la matière molle : dynamique collective et viscoélasticité, ordre à grande échelle et désordre local…. Dans une certaine mesure, ces concepts sont aussi pertinents pour l’étude des systèmes d’origine biologique.

Les cristaux liquides (les mésophases thermotropes et lyotropes) sont des systèmes formés le plus souvent de petites molécules et présentant une grande variété d’organisations à grande échelle. La variété de mésophases ne cesse de s’enrichir par la découverte de nouvelles phases. Leurs propriétés physiques, fortement anisotropes, en font des systèmes privilégiés pour des études fondamentales (brisure de symétrie, défauts topologiques…), et appliquées (muscles artificiels, écrans plats, matériaux mésoporeux,…). En particulier, les mésophases lyotropes dans les solutions aqueuses des molécules amphiphiles servent de passerelles entre la physique, la biologie, les nanotechnologies et les biotechnologies.

Les polymères sont des molécules géantes. Leurs comportements sont régis par leur caractère désordonné et par leur capacité à interagir à grande distance par des enchevêtrements (propriétés visco-élastiques) et à former des assemblages auto-organisés (copolymères séquencés, polymères semi-cristallins). Ces systèmes et ces propriétés sont aujourd’hui l’objet de recherches fondamentales intenses, stimulées par des applications de haute technologie (matériaux innovants, traitement de surface, adhésion…).

Surface de fracture d’un copolymère vue au microscope électronique à balayage. A.M. Urbas et al. Adv. Mat. 14 (2002) 1850

Cristal d'une phase cubique lyotrope vu au microscope optique. P.P et al EJPE 12 (2003) 239

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A. Mésophases lyotropes : solutions liquides organisées (P. Pieranski)

1- Mésophases, molécules amphiphiles, naissance des concepts

Figures myeliniques, phospholipides : phase lamellaire Savons et détergents modernes : phases lamellaire, hexagonale, cubiques,… Symétries, paramètres d’ordre, défauts topologiques Digressions biologiques : cuticules, vésicules, liposomes, cubosomes, …

2- Solutions solides, solutions liquides organisées

Structure des diagrammes binaires et ternaires Application aux alliages et solutions solides Application aux solutions aqueuses de surfactants Méthodes isopléthale et hygroscopique

3- Ordre périodique à 3D, cristaux, mésophases cubiques

Ordre d’orientation, ordre de position Géométrie des surfaces selon Monge et Gauss Topologie des surfaces Surfaces périodiques minimales, surfaces nodales Phases Bleues. Phases cubiques lyotropes

4- Surfaces des solutions liquides organisées

Anisotropie de surface, facettes, surfaces rugueuses Structure microscopique des surfaces : marches, décrochements, transition

rugueuse Facettages pauvre, riche et « en escalier du diable » Formes d’équilibre et formes métastables de croissance Pseudo-croissance Fusion anistrope de surface

5- Elasticité des cristaux et des solutions liquides organisés

Cristaux solides durs, phonons, élasticité anisotrope Mésophases lyotropes : cristaux mous Élasticité des systèmes polycristallins et composites

6- Topologie des solutions liquides organisées

Phases micellaires et phases bicontinues Phase éponge Partition spontanée de Tanaka Brisure de symétrie topologique Défauts : dislocations, disorientations

Remarque : dans la mesure du possible, chaque cours sera illustré par des analyses d'articles et par des expériences simples "en temps réel".

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B. Polymères (B. Deloche)

Le but du cours est de présenter les bases et les concepts permettant de relier les propriétés microscopiques aux propriétés physiques macroscopiques des systèmes polymères. 1- Chaine polymère isolée

Propriétés statiques : chaine idéale, volume exclu, élasticité entropique Dynamique : modes de Rouse, interactions hydrodynamiques, diffusion

2- Polymères fondus

Statique : dimension d'une chaine, facteur de forme Dynamique :

- Aspect microscopique : reptation - Aspect macroscopique : visco-élasticité

3- Polymères en solution

Régimes dilué et semi-dilué Champ moyen Lois d'échelles Mélange de polymères Polyélectrolytes, polymères amphiphiles Complexation

4- Polymères réticulés

Réseaux Gels Elastomères chargés Elasticité et renforcement

5- Polymères aux interfaces, nanofilms

Polymères greffés Polymères adsorbés Copolymères à blocs Anisotropie des propriétés

6- Polymères solides

Transition vitreuse Etats amorphe et semi-cristallin Propriétés mécaniques : contrainte seuil, striction, fracture

Remarque : chaque chapitre sera complété par des analyses d'articles, par des expériences simples "en temps réel" et des exemples de développements appliqués.

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MICHEL BRUNE ET PHILIPPE GRANGIER (COURS) ; GILLES NOGUES (TD)

Information quantique Le Jeudi à partir de 14 heures 45

Objectifs

Ce cours introduit les concepts de base de la théorie quantique de l'information. On présentera les potentialités offertes par les expériences dans divers domaines (optique, RMN, manipulation d’ions ou d’atomes uniques).

Thèmes abordés 1. Information classique ou quantique: les ressources de la logique quantique 2. Communication quantique et calcul quantique 3. Portes quantiques et structure d'un calcul quantique 4. Décohérence et correction d'erreur 5. Exemples de mise en œuvre expérimentales

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STAGE (deuxième semestre, S2)

Un stage expérimental à temps complet (de début Janvier à début Mars) permet de prendre contact avec un Laboratoire et un Groupe de recherche. La présence des étudiants en Laboratoire pourra se prolonger jusqu'au mois d'Avril pour l'analyse des résultats et la rédaction du rapport. Le stage donne lieu à une soutenance orale. Il peut être effectué dans un laboratoire de la région parisienne ou de province, un laboratoire universitaire ou industriel.

CONTROLE DES CONNAISSANCES

L'examen du premier semestre comporte 4 épreuves écrites, 4 épreuves orales et l’épreuve écrite sur le séminaire (les coefficients sont proportionnels aux nombres d’ECTS). L'examen du deuxième semestre comporte 4 épreuves écrites, 4 épreuves orales sur les cours d’options (correspondant à 12 ECTS) et l’épreuve de soutenance de stage (correspondant à 18 ECTS). Les coefficients sont proportionnels aux nombres d’ECTS. Il n’y a pas de compensation entre les deux semestres : il est nécessaire d’avoir obtenu une moyenne supérieure ou égale à 10 aux examens des deux semestres pour obtenir le M2. Remarque : La durée des enseignements s’étend de la 2ème semaine de Septembre à la 2ème semaine de Juin.

SEMINAIRES D’APPROFONDISSEMENT

Dans le cadre de l’Ecole Doctorale de Physique de la Région Parisienne, une série de séminaires d’approfondissement est proposée aux étudiants pendant la préparation de leur thèse, pour compléter la formation donnée par le M2. Cette série de séminaires assure une formation de portée générale en principe accessible à tous les étudiants de l’Ecole Doctorale. La liste de séminaires est renouvelée chaque année, en fonction de l’évolution des thèmes de recherche.

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THESE

La thèse peut être préparée dans un grand nombre de laboratoires de recherche, souvent de niveau international, travaillant dans le domaine de la Physique de la Matière Condensée.

Cela peut se faire dans des cadres variés :

Dans la région parisienne ou dans les autres régions, ou même à l’étranger, Dans les laboratoires du CNRS ou des Universités, Dans les Grands Organismes de Recherche (CEA, ONERA, CNES, CNET, etc…) Dans les laboratoires Industriels : il s’agit généralement des grands groupes industriels

(Thalès, St-Gobain, Alcatel, Rhodia, Corning, Michelin, etc…)

Les sujets de thèse proposés aux étudiants du Parcours représentent une grande diversité thématique. Celle-ci est le reflet de l’évolution de la discipline de la Physique de la Matière Condensée. À titre d’exemples, on peut citer quelques thèmes originaux en plein développement : la nanophysique, la physique mésoscopique, l’interface physique-biologie, etc… Chaque année, le Parcours distribue aux étudiants un recueil non-exhaustif de sujets de thèse proposés par les laboratoires. Ce recueil réunit en général plus de 250 propositions, soit un nombre bien plus élevé que celui des étudiants susceptibles d’y répondre. Il en résulte une grande liberté de choix pour les étudiants. Les étudiants peuvent réellement exercer cette liberté de choix, car ils trouvent tous un financement adapté pour préparer leur thèse. Les financements possibles sont variés : Allocations de recherche du Ministère de la Recherche, bourses BDI, CIFRE, DGA, CFR, etc…

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PRIX JEUNE CHERCHEUR DE LA SOCIETE FRANCAISE DE PHYSIQUE

Chaque année, la Société Française de Physique (SFP) décerne deux prix (Prix Guinier et Prix St-Gobain) pour couronner les deux meilleures thèses de physique soutenues dans l’année, toutes disciplines de Physique confondues. Au cours de ces dernières années, des étudiants issus du « DEA de Physique des Solides » ont été ainsi distingués par la SFP. La liste de ces étudiants est donnée ci-dessous. Cette liste illustre bien la qualité des thèses préparées après le DEA et leur grande diversité thématique. Prix « Daniel Guinier » 1989 THIAVILLE André DEA 83-84

« Lignes de Néel dans les films de grenats à anisotropie perpendiculaire : observation et propagation »

1993 BOURDIEU Laurent DEA 89-90 « Membranes ferro-électroniques » 1994 PASQUIER Claude DEA 89-90

« Transport quantique balistique et monoélectronique dans des nanostructures d’arseniure de gallium »

VALANCE Alexandre DEA 90-91 « Formation de structures en croissance cristalline » 1997 SAMINADAYAR Laurent DEA 93-94 « Fluctuations temporelles quantiques de courant dans les nanostructures » 2001 KOCIAK Mathieu DEA 96-97 « Structures et propriétés électroniques de nanotubes de carbone » Prix « Saint-Gobain » 1996 SIDIS Yvan DEA 92-93 « Fluctuations magnétiques dans les cuprates supraconducteurs à haute Tc » 1998 KREBS Olivier DEA 94-95

« Anisotropie optique des hétérostructures de semiconducteurs III-V et l’effet Pockels confiné »

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MEDAILLE DE BRONZE DU CNRS

2008

PIERRE Frédéric DEA 96-97 Thèse en 09.2000 Recruté au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures UPR20 à Marcoussis

en Janvier 2004.

2002

MARNIEROS Stefanos DEA 93-94 Thèse en 05.98 Recruté au CSNSM UMR8609 à Orsay en Octobre 1999.

2001

GUERON Sophie DEA 93-94 Thèse en 10.97 Recrutée au Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay UMR8502 en

Septembre 1999.

2000

SIDIS Yvan DEA 92-93 Thèse en 11.95 Recruté au Laboratoire Léon Brillouin de Gif sur Yvette UMR12 en Octobre 1997.

1996 REULET Bertrand DEA 89-90 Thèse en 03.94 Recruté au Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay UMR8502 en Octobre

1994.

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DEBOUCHES

Les débouchés du Parcours sont nombreux et variés. Ce sont tous les débouchés de la Physique de la Matière Condensée :

Physique des métaux, des semiconducteurs, magnétisme, supraconductivité,

cristaux liquides, polymères, etc… et aussi des techniques qu’elle utilise.

Méthodes spectroscopiques, RMN, transport, basses températures, microscopie

électronique, analyse ionique, diffusion de Rayons X et de neutrons, etc…

Ces débouchés se trouvent dans les carrières de la recherche, aussi bien dans le domaine de la recherche fondamentale que dans celui de la recherche appliquée. Ils concernent les différents types de laboratoires de recherche.

Les laboratoires des Universités ou du CNRS Les laboratoires des Grands Organismes de Recherche Les laboratoires Industriels

La proportion moyenne, sur les trois dernières années, des différents types de débouchés est indiquée sur la figure ci-jointe. Entreprises : Il s’agit, actuellement, des débouchés les plus nombreux (plus de la moitié). En effet, bien que la formation soit en grande partie de nature fondamentale, elle est appréciée des industriels, même dans les domaines appliqués et dans les domaines des matériaux. En effet, une recherche industrielle de haut niveau ne peut s’appuyer que sur une base fondamentale large et solide. Ces débouchés se trouvant principalement dans les grands groupes industriels, mais dans des branches très variées (Thalés, St-Gobain, Alcatel, Rhodia, Corning, etc…). En effet, de nombreuses branches sont directement concernées par la physique de la matière condensée. CNRS et Universités :

Il s’agit là encore d’un débouché important. Le CNRS est divisé en sections, qui représentent les différentes disciplines scientifiques. Les étudiants issus du Parcours peuvent postuler à un recrutement au CNRS dans 5 sections différentes :

Section 2 : Phénomènes physiques, théories et modèles Section 5 : Matière Condensée : organisation et dynamique Section 6 : Matière Condensée : structures et propriétés électroniques Section 8 : Electronique, semiconducteurs, photonique, génie électrique Section 11 : Systèmes moléculaires complexes

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Ces recrutements sont importants, environ une dizaine par an. Les postes de Maîtres de Conférences des Universités parisiennes et hors région

parisienne, en nombre croissant, constituent également un débouché important. Les Grands Organismes de Recherche :

Il s’agit du CEA, de l’ONERA, du CNES, etc…

DEVENIR DES THESARDSACTIVITE PROFESSIONNELLE

Ens. Sup23%

Organ./Recherche

19%

Entreprise53%

Administration5%

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ANNEXE : COURS D’APPROFONDISSEMENT DE L’ECOLE DOCTORALE EN 2008-2009

Cours avancés de Physique Théorique des Hautes Energies P. FAYET et K. ZAREMBO (Laboratoire de Physique Théorique de l’ENS) ; M. MANGANO (Division Théorie du CERN) ; A. VAN PROEYEN (Université de Leuven)

Cours du 20 octobre au 7 novembre 2008

Théorie des champs à basse dimension : introduction et applications Hubert SALEUR

Cours le vendredi de 10h15 à 12h15 les 10 et 24 Octobre - 7, 14, 21 et 28 Novembre - 5 et 12 Décembre Institut de Physique Théorique, Salle Itzykson Bâtiment 74 - Orme des Merisiers

Photons in cell-biophysics and biomembranes Timo BETZ and Patricia BASSEREAU

The curse will take place on 7 sessions, at Salle Joliot (11, rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris) at the Institut Curie The exact dates are (all Mondays) : 20/10/2008 – 27/10/2008 03/11/2008 – 17/11/2008 – 24/11/2008 01/12/2008 – 08/12/2008 (13:00 – 15:00)

Modèles sigma intégrables Vladimir KAZAKOV 7 cours le mardi, de 14h à 17h- 18/25 Novembre 2008 - 02/09/16/23 Décembre 2008 - 13 Janvier 2009 - Département de Physique de l’ENS, 24 rue Lhomond, Salle T15 (3ème étage) Supersolidité Sergio RICA (Physique Statistique de l’ENS) 4 Cours les jeudis 15, 22, 29 Janvier et 05 Février 2008, de 14h à 17h Salle T14, Département de Physique de l’ENS GPS-GALILEO M.-C. ANGONIN (SYRTE - Observatoire de Paris) et J.-M. COURTY (LKB Jussieu) Cours le jeudi de 09h30 à 12h30 du 15 Janvier au 26 Mars 2009 UPMC, 4 place Jussieu - Tour 53/43, 2ème étage, salle 224 Black Holes in General Relativity Nathalie DERUELLE - ACP, Université Paris 7 Cours le vendredi de 10h15 à 12h15 du 09 Janvier au 13 Février 2009 Institut de Physique Théorique, CEA, Orme des Merisiers Bât. 774, Salle C. Itzykson

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CANDIDATURES

Les candidatures au Parcours de Physique de la Matière Condensée doivent être adressées à Michel Héritier (heritier@lps.u-psud.fr ), de mars à mi-juin. Pour cela, il faut remplir et retourner le formulaire de pré-inscription ci-contre. Il est nécessaire d’envoyer un dossier à Sophie Tourlet (tourlet@lps.u-psud.fr), Laboratoire de Physique des Solides, Bât. 510, 91405 Orsay, Tél. 01 69 15 69 34) comprenant :

- un curriculum vitae détaillé, - un relevé de notes des études post-baccalauréat, en particulier du

L3 et du M1, - une lettre de recommandation, - une lettre de motivation.

À chaque fois que c’est possible, un entretien avec Michel Héritier est souhaitable. Il est donc nécessaire de prendre un rendez-vous (contactez Sophie Tourlet), de préférence entre mai et juin.

La suite donnée à ces candidatures est communiquée le plus rapidement possible, et, en général avant la mi-juin.

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MASTER M2 2ème année ⎡ Spécialité « Concepts Fondamentaux de la Physique » Parcours « Physique de la Matière Condensée »

(photo)

⎣ Fiche de pré-inscription pédagogique au Parcours

Toute candidature en Master à l’Université Paris 11 doit être obligatoirement complétée par la procédure de dépôt des candidatures OPI : http://www.sciences.u-psud.fr/fr/vie_etudiante/inscriptions/licence_master.html

2010-2011

A retourner avant le 15 Juin 2010 N° OPI (univ. P11) : Nom : Prénom : Date de naissance : Nationalité : Adresse : N° de tél. : N° Portable : e-mail : Liste complète des diplômes obtenus post-baccalauréat (indiquer dans quelles universités, dates, et éventuellement mentions obtenus) : Liste des stages effectués au cours des deux dernières années (dates, sujets, responsable du stage, laboratoire) : Votre situation actuelle : Universitaire � Normalien � Polytechnicien � Ingénieur � Précisez où ? Avez vous déjà fait une pré-inscription dans un autre Parcours (ex-DEA) ? si oui, le(s)quel(s) ? Comptez-vous faire une thèse après votre Master M2 ? Pièces à joindre : CV détaillé Photocopies diplômes et relevés de notes post-baccalauréat Lettre de motivation Lettre de recommandation