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Jean Dalibard, Philippe Grangier, Manuel Joffre, and Mathieu de Naurois

Comme l'ont montré de plus en plus d'expériences effectuées dès le début du vingtième siècle, les lois de la mécanique newtonienne cessent d'être valables dès qu'on tente de les appliquer à très petite échelle, celle des atomes, des molécules ou des noyaux. On entre alors dans le domaine de la mécanique quantique, où les lois physiques prennent une tout autre nature qui a pu être formalisée de manière rigoureuse à la fin des années 1920. Cette véritable révolution intellectuelle est non seulement indispensable pour comprendre la véritable nature du monde physique, des particules élémentaires au big bang, mais elle est également à l'origine de la plupart des technologies modernes comme la micro-électronique, les lasers ou les télécommunications optiques.

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Comme l'ont montré de plus en plus d'expériences effectuées dès le début du vingtième siècle, les lois de la mécanique newtonienne cessent d'être valables dès qu'on tente de les appliquer à très petite échelle, celle des atomes, des molécules ou des noyaux. On entre alors dans le domaine de la mécanique quantique, où les lois physiques prennent une tout autre nature qui a pu être formalisée de manière rigoureuse à la fin des années 1920. Cette véritable révolution intellectuelle est non seulement indispensable pour comprendre la véritable nature du monde physique, des particules élémentaires au big bang, mais elle est également à l'origine de la plupart des technologies modernes comme la micro-électronique, les lasers ou les télécommunications optiques.

Ce cours constitue une première introduction à la mécanique quantique. En employant une approche historique et en s'appuyant sur une confrontation entre expériences et théorie, il vous permettra de comprendre les principes de base de la mécanique quantique et d'entrevoir quelques-unes de ses applications. Le cours se composera des huit séances ci-dessous.

1. Dualité onde-corpuscule

2. La fonction d'onde

3. Transformée de Fourier

4. De l'impulsion à l'hamiltonien

5. La particule quantique confinée

6. Mesures quantiques individuelles

7. Puis de potentiel à une dimension

8. Effet Tunnel

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What's inside

Syllabus

Dualité onde-corpuscule
Dans le cadre d'une approche historique, ce chapitre vous permettra de découvrir les difficultés auxquelles la physique classique s'est trouvée confrontée au début du vingtième siècle. C'est la naissance de la théorie des quanta, avec la dualité onde-corpuscule et les interférences entre ondes de matière. Les exercices (ou travaux dirigés) vous permettront de revoir les notions de probabilités qui vous seront utiles dans la suite du cours.
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La fonction d'onde
Ce chapitre introduit la notion de fonction d'onde. En suivant la démarche suivie initalement par Schrödinger, vous pourrez découvrir l'équation de Schrödinger pour une particule libre qui régit l'évolution de la fonction d'onde au cours du temps. Les travaux dirigés vous permettront de manipuler la fonction d'onde dans le cas d'interférences d'ondes de matière.
Transformée de Fourier et diffraction
Ce chapitre introduit une notion mathématique d'une grande utilité en physique, à savoir la transformation de Fourier. Son domaine d'application dépasse très largement la seule mécanique quantique, comme vous pourrez vous en rendre compte avec les expériences d'optique qui vous seront présentées. Les travaux dirigés vous permettront de manipuler les propriétés de la transformée de Fourier, avec notamment la démonstration de la relation d'incertitude de Heisenberg.
De l'impulsion à l'hamiltonien
Ce chapitre nous permettra de manipuler les opérateurs position et impulsion, ce qui nous conduira à introduire l'équation de Schrödinger dans le cas général où l'énergie potentielle de la particule sera prise en compte. Lors des travaux dirigés, vous pourrez découvrir comment se propage un paquet d'ondes en l'absence d'énergie potentielle. Nous aborderons également le problème de la stabilité de la matière, qui est incompréhensible dans le cadre de la physique classique.
La particule quantique confinée
Ce chapitre aborde la notion de mesure en mécanique quantique, problème délicat dont l'étude sera poursuivie lors du chapitre suivant. On introduira la notion d'observable associée à une grandeur physique. On montrera comment la connaissance des états propres de l'hamiltonien permet d'écrire la solution générale de l'équation de Schrödinger. Enfin, on recherchera les niveaux d'énergie dans le cas d'un puits de potentiel infini. Les travaux dirigés porteront sur le courant de probabilité et reviendront sur le calcul des niveaux d'énergie dans un puits infini.
Mesures quantiques individuelles
Ce chapitre introduit la version forte du postulat de la mesure. Les TD porteront sur les potentiels constants par morceaux. Vous aurez également à rédiger - et à corriger - un devoir portant sur l'effet tunnel.
Puits de potentiel à une dimension
Ce chapitre discute en détail les états propres d'un puits de potentiel à une dimension, avec les cas particuliers importants du puits symétrique et du puits semi-infini. Les TD porteront sur l'existence d'états liés dans un puits de potentiel à une dimension.
L'effet tunnel
Ce dernier chapitre porte sur diverses manifestations de l'effet tunnel, à savoir le microscope à effet tunnel, la radioactivité alpha et enfin le modèle du puits double, qui permet de comprendre l'origine physique de la liaison chimique ainsi que les niveaux d'énergie utilisés dans le premier MASER.

Good to know

Know what's good
, what to watch for
, and possible dealbreakers
Convient aux débutants en mécanique quantique
Développe des notions fondamentales en mécanique quantique
Explore les applications de la mécanique quantique dans les technologies modernes
Apprend les principes de base de la mécanique quantique
Enseigné par des experts en mécanique quantique de l'École Polytechnique
Approche historique et expérimentale pour une compréhension approfondie

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Reviews summary

Quantum mechanics: a comprehensive introduction

This course offers a solid foundation in quantum mechanics, guided by expert instructors. It approaches the subject historically, emphasizing the evolution of ideas and the interplay between theory and experiment. The syllabus covers key concepts such as wave-particle duality, the Schrödinger equation, Fourier transforms, and the quantum harmonic oscillator. Students appreciate the clear explanations, engaging examples, and challenging exercises that deepen their understanding. Overall, this course is highly recommended for anyone seeking an introduction to quantum mechanics.
Traces the historical development of quantum mechanics, making the subject more accessible.
"approche historique"
"on découvre les difficultés auxquelles la physique classique s'est trouvée confrontée au début du vingtième siècle."
"C'est la naissance de la théorie des quanta, avec la dualité onde-corpuscule et les interférences entre ondes de matière."
Engaging exercises reinforce concepts and foster deep understanding.
"Les travaux dirigés vous permettront de manipuler la fonction d'onde dans le cas d'interférences d'ondes de matière."
"Les TD porteront sur le courant de probabilité et reviendront sur le calcul des niveaux d'énergie dans un puits infini."
Highly knowledgeable and engaging professors provide clear explanations.
"Excellent !"
"Excellente formation. Très complète. Merci beaucoup."
"Cours passionnant. Un grand merci à toute l'équipe de ce MOOC."
Could go deeper into advanced topics, such as spin and the Stern-Gerlach experiment.
"J'aurai aimé qu'il aille bien plus loin avec le spin/Sterlan-Gerlach etc."
Assumes a strong mathematical background, which may be challenging for some.
"Il peut être plus détaillé dans les traitements mathématiques."
"Il ne faut pas forcément sauter les contenues mathématiques afin d'énoncer les théories plus claires."

Activities

Be better prepared before your course. Deepen your understanding during and after it. Supplement your coursework and achieve mastery of the topics covered in Mécanique quantique with these activities:
Review Quantum Mechanics
Provides a refresher of Quantum Mechanics before starting the course to ensure a strong foundation.
Browse courses on Quantum Mechanics
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  • Review the postulates of quantum mechanics.
  • Solve problems involving the Schrödinger equation.
  • Practice applying quantum mechanics to real-world scenarios.
Create a Summary of Quantum Mechanics Concepts
Consolidate understanding of quantum mechanics by compiling a comprehensive summary of key concepts and formulas.
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  • Review lecture notes, textbooks, and other course materials.
  • Identify and extract the most important concepts and formulas.
  • Organize the summary in a clear and logical manner.
Follow Tutorials on Quantum Mechanics
Expand understanding of quantum mechanics by following online tutorials and completing practice exercises.
Browse courses on Quantum Mechanics
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  • Identify reputable online resources that provide tutorials on quantum mechanics.
  • Select tutorials that cover specific topics or areas where additional understanding is needed.
  • Follow the tutorials carefully, taking notes and completing any practice exercises.
Five other activities
Expand to see all activities and additional details
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Practice Quantum Mechanics Problems
Continuously reinforce understanding of quantum mechanics principles and their applications.
Browse courses on Quantum Mechanics
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  • Solve practice problems on wave-particle duality.
  • Complete exercises involving the uncertainty principle.
  • Apply quantum mechanics to explain atomic and molecular phenomena.
Organize a Study Group for Quantum Mechanics
Collaborate with peers to reinforce understanding, clarify concepts, and solve problems together.
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  • Identify a group of peers who are interested in forming a study group.
  • Establish regular meeting times and a schedule for topics to be covered.
  • Take turns leading the discussions and presenting the material to the group.
  • Work together to solve practice problems and clarify any confusing concepts.
Create a Presentation on Quantum Mechanics
Synthesize and communicate understanding of quantum mechanics concepts effectively.
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  • Choose a specific topic in quantum mechanics to focus on.
  • Research and gather information from credible sources.
  • Organize and structure the presentation in a clear and logical manner.
  • Create visual aids and demonstrations to illustrate the concepts.
  • Practice presenting the material to an audience.
Volunteer at a Physics Lab
Gain practical experience and apply understanding of quantum mechanics in a real-world setting.
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  • Identify physics labs or research institutions that offer volunteer opportunities.
  • Inquire about volunteer positions that align with interests in quantum mechanics.
  • Attend training sessions and familiarization programs provided by the lab.
  • Assist with experiments, data collection, or other tasks related to quantum mechanics.
Attend a Workshop on Quantum Computing
Acquire specialized knowledge and insights into the applications of quantum mechanics in the field of quantum computing.
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  • Identify and research reputable workshops on quantum computing.
  • Apply and register for the workshop that best aligns with interests and learning goals.
  • Attend the workshop and actively participate in discussions and hands-on activities.

Career center

Learners who complete Mécanique quantique will develop knowledge and skills that may be useful to these careers:
Quantum Computer Engineer
As a Quantum Computer Engineer, you will be working on the development and application of quantum computers. This could include designing new quantum computing hardware, or developing new quantum algorithms. You will need a strong understanding of computer science, physics, and mathematics. This course will help build a foundation in quantum mechanics, which is essential for understanding the operation of quantum computers.
Quantum Information Scientist
Quantum Information Scientists study the use of quantum mechanics to process and transmit information. This could include developing new quantum communication protocols, or creating new quantum cryptography algorithms. You will need a strong understanding of computer science, physics, and mathematics. This course will help build a foundation in quantum mechanics, which is essential for understanding the principles of quantum information science.
Particle Physicist
Particle Physicists study the fundamental particles that make up matter and the forces that act between them. This could include developing new theories of physics, or using particle accelerators to search for new particles. You will need a strong understanding of physics and mathematics. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is essential for understanding the behavior of particles at the quantum level.
Nanotechnologist
As a Nanotechnologist, you will be working on the development and application of materials and devices at the nanoscale. This could include developing new materials for electronics, or creating new drug delivery systems. You will need a strong understanding of chemistry, physics, and mathematics. This course will help build a foundation in quantum mechanics, which is essential for understanding the behavior of matter at the nanoscale.
Theoretical Physicist
As a Theoretical Physicist, you will be developing new theories of physics. This could include developing new theories of quantum mechanics, or developing new theories of gravity. You will need a strong understanding of physics and mathematics. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is essential for developing new theories of physics.
Laser Technician
Laser Technicians work on the installation, maintenance, and repair of laser equipment. This could be for a variety of industries, including manufacturing, healthcare, and research. You will need to have a strong understanding of optics and laser physics. This course will give you a strong foundational understanding of quantum mechanics, the principles lasers are based on, making you a more successful Laser Technician.
Chemical Engineer
In today's day and age, we have come to rely on synthetic materials for nearly everything we use. A Chemical Engineer designs and manufactures these materials that we see all around us. You will be tasked with making sure that these materials are made to specifications, especially in terms of their physical properties. You may be working on anything from plastics and fuel to food and medicine. You will need advanced math, chemistry, and physics skills, which is why this course will prove very beneficial to your career. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is vital to your work, as you will be dealing with atoms and molecules on a daily basis. Also, it will help you with the advanced math and analysis you will need to perform in order to complete projects successfully.
Optical Engineer
As an Optical Engineer, you will be designing and building optical systems. This could include anything from telescopes to lasers. You will need a strong understanding of optics and physics. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is essential for understanding the behavior of light at the quantum level.
Photonics Engineer
As a Photonics Engineer, you will be working on the development and application of devices that use light. This could include developing new types of lasers, or creating new optical communication systems. You will need a strong understanding of optics and physics. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is essential for understanding the behavior of light at the quantum level.
Research Scientist
As a Research Scientist, you will be conducting research in a variety of scientific fields. This could include developing new theories, or conducting experiments to test existing theories. You will need a strong understanding of the scientific method, and a strong foundation in mathematics and physics. This course will help build a strong foundation of quantum mechanics, which is becoming increasingly important in various scientific fields.
Nuclear Engineer
Nuclear Engineers design, build, and operate nuclear power plants. You will need a strong understanding of physics, mathematics, and engineering. This course will help you understand the quantum effects that occur in nuclear reactions, which is essential for the safe operation of nuclear power plants. Also, this course may be useful if you work with lasers and other technologies based on quantum effects.
Plasma Physicist
Plasma Physicists study the behavior of plasma, which is a state of matter that is made up of ionized gas. This could include developing new plasma technologies, or using plasma to study the behavior of stars. You will need a strong understanding of physics and mathematics. This course will help build a foundation of quantum mechanics, which is essential for understanding the behavior of plasma at the quantum level.
Materials Scientist
As a Material Scientist, you will be researching properties of different types of materials and developing new materials with specific properties. This could be for a variety of industries, including aerospace, automotive, and electronics. You will need a strong understanding of chemistry, physics, and mathematics. This course may be useful for your work in developing new materials at the quantum level.
Electrical Engineer
As an Electrical Engineer, you will be tasked with designing and building equipment and systems that use electricity. This could include anything from power plants to medical devices. You will need a strong understanding of physics, mathematics, and computer science. This course may be useful to you as you will work with quantum technologies like lasers and microprocessors.
Medical Physicist
Medical Physicists use physics to develop and apply techniques for the diagnosis and treatment of disease. This could include developing new imaging techniques, or using radiation to treat cancer. You will need a strong understanding of physics, mathematics, and computer science. This course may be useful to you in understanding the quantum effects that occur in biological systems.

Reading list

We've selected 16 books that we think will supplement your learning. Use these to develop background knowledge, enrich your coursework, and gain a deeper understanding of the topics covered in Mécanique quantique.
Il s'agit du manuel de référence en mécanique quantique en français. Il est très complet et couvre tous les aspects de la matière. Il est cependant assez difficile à lire et à comprendre, surtout pour les débutants.
Il s'agit d'un livre très complet et de haut niveau qui couvre tous les aspects de la mécanique quantique. Il est cependant assez difficile à lire et à comprendre, même pour les étudiants avancés.
Il s'agit d'un manuel très complet et de haut niveau qui couvre tous les aspects de la mécanique quantique. Il est cependant assez difficile à lire et à comprendre, même pour les étudiants avancés.
C'est un manuel très pédagogique et accessible, idéal pour les débutants. Il couvre les bases de la mécanique quantique de manière claire et concise.
Il s'agit d'un manuel très complet et de haut niveau qui couvre tous les aspects de la mécanique quantique. Il est cependant assez difficile à lire et à comprendre, même pour les étudiants avancés.
Il s'agit d'un manuel très complet et de haut niveau qui couvre tous les aspects de la mécanique quantique. Il est cependant assez difficile à lire et à comprendre, même pour les étudiants avancés.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la mécanique quantique de manière claire et concise.
C'est un manuel très pédagogique et accessible, idéal pour les débutants. Il couvre les bases de la mécanique quantique de manière claire et concise.
Il s'agit d'un livre plus avancé qui s'adresse aux étudiants en mathématiques et en physique. Il fournit une présentation rigoureuse et mathématique de la mécanique quantique.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la mécanique quantique de manière claire et poétique.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la mécanique quantique de manière claire et non mathématique.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la théorie quantique des champs de manière claire et simple, pour les amateurs.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la mécanique quantique de manière claire et simple, pour les enfants.
Il s'agit d'un livre très accessible qui explique les concepts de base de la gravité quantique de manière claire et simple.

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