Onde de Bloch - Définition

Introduction

Les ondes de Bloch, d'après Felix Bloch, sont les fonctions d'ondes décrivant les états quantiques des électrons soumis à un potentiel périodique. C'est notamment le cas du cristal parfait infini, les électrons sont soumis à un potentiel périodique ayant la symétrie de translation des atomes constituant le cristal.

Le théorème de Bloch

Énoncé

Le théorème de Bloch donne les solutions de l'équation de Schrödinger indépendante du temps pour un potentiel donné périodique.

Un potentiel V(x) de périodicité x₀ peut s'écrire sous la forme V(x + x₀) = V(x), le théorème de Bloch dit alors que les fonctions d'onde, dite onde de Bloch, sont de la forme :

où est une fonction de période x₀, c'est-à-dire .

Application à un cristal parfait

Dans un cristal parfait infini, les potentiels possèdent la périodicité du réseau cristallin. Le théorème de Bloch permet d'obtenir les états propres d'énergie d'un électron dans ce réseau.

Si nous baptisons par les états propres du hamiltonien et les états propres de chaque potentiel localisé au nœud R_n du réseau, alors nous avons

.

Soit T_R l'opérateur de translation de R. Si R appartient au réseau, alors H et T_R commutent et ont donc les mêmes sous-espaces propres.
En utilisant la propriétés d'invariance de la norme des états propres par translation d'une période entière du réseau cristallin et la propriété de combinaison des translations, on obtient les valeurs propres de T_R, pour R fixé, sous la forme .
On en déduit que la forme générale de la fonction d'onde dans le cas d'un cristal est :

où u_k,n(r) est périodique avec la période du réseau cristallin.

Ψ_k,n(r) est appelée l'onde de Bloch.

Conséquences du théorème de Bloch

Le théorème de Bloch introduit un vecteur d'onde k. Il est nommé pseudo-moment de l'électron. Cette quantité remplace le moment de l'électron lorsqu'on passe du problème d'un électron se mouvant dans un milieu continu à celui d'un électron se mouvant dans un potentiel périodique. Ce pseudo-moment n'est pas proportionnel à P. En effet la dérivation introduit un terme supplémentaire . Ainsi Ψ_k,n n'est pas un état propre de l'opérateur quantité de mouvement. D'une façon plus générale, la non-conservation de la quantité de mouvement et la non pertinence de cette grandeur dans le cadre d'un potentiel periodique d'etendue spatiale infinie peut sembler surprenante. Il faut se rapporter au théorème de Noether pour en comprendre l'origine. En effet le théorème de Noether fait découler directement la conservation de la quantité de mouvement de la symetrie de l'espace en regard des translations infinitésimales. Or le potentiel cristallin introduit une symétrie brisée (translations discrètes au regard des translations infinitésimales) et l'invariant associé n'a plus de raison d'être conservé.

Les bandes interdites

Apparition des bandes interdites

Une conséquence du théorème de Bloch est l'apparition des bandes interdites par l'application d'un potentiel cristallin perturbatif (donc arbitrairement faible) sur des électrons libres : c'est le modèle des électrons presque libres. Partons d'une fonction d'onde d'électron libre et prenons le potentiel cristallin sous la forme :

Constatons d'abord que la perturbation introduite par ce potentiel ne peut pas être dans le cas général une perturbation du premier ordre. En effet, tous les termes de ce potentiel sont oscillatoires et leur moyenne par toute fonction d'onde K sur un domaine suffisamment grand est nulle, sauf si les termes oscillatoires se compensent. On montre facilement que la fonction d'onde prend la forme :

avec :

Remarquons au passage que cette fonction d'onde est bien une onde de Bloch (il suffit de remplacer les kets par leurs formes fonctionnelles). En posant E(k) = k² et vu la nature périodique du potentiel perturbateur V, toutes ces contributions sont nulles à l'exception de celles remplissant les conditions de Bragg, (k + K_p)² = k² ce qui donne comme valeur de E :

Donc pour un point k à mi-distance de l'origine et d'un premier nœud du réseau réciproque, c’est-à-dire k = − K_p / 2, la condition de Bragg est vérifiée et la valeur de E modifiée. Ce point est évidemment sur la frontière de la première zone de Brillouin.

Forme des fonctions d'onde au voisinage de la frontière de zone

Au voisinage des points K_p / 2, les formules données plus haut divergent, ce qui prouve que l'approche perturbative n'est pas appropriée. En fait la solution est une recombinaison de l'onde de vecteur K_p / 2 + δk et de l'onde de vecteur − K_p / 2 + δk. Le couplage de ces deux niveaux provoque un éclatement de la bande d'énergies au voisinage des points K_p / 2 et − K_p / 2. Il en résulte l'ouverture autour des points d'énergie :

d'un intervalle d'énergie qui ne peut être atteint pour aucune valeur de k. En effet les énergies au voisinage de K_p / 2 sont fortement éclatées et ne peuvent donc pas être solution de valeurs au voisinage immédiat de E_p. Quant aux valeurs plus distantes de k, la perturbation de l'énergie est trop faible pour la ramener à proximité de la valeur E_p.