Effet tunnel: combien de temps pour traverser l'infranchissable ?

Publié par Adrien le 24/08/2020 à 13:00
Source: ASP
Les physiciens nous préviennent depuis longtemps que, dans l'univers de l'infiniment petit, les particules ont des propriétés étranges. Par exemple, elles peuvent traverser sans difficulté une barrière... infranchissable. Le phénomène, appelé effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique....), ne serait toutefois pas instantané, selon une nouvelle étude publiée dans la revue Nature.


Photo: une surface de 5 nanomètres de large sur laquelle les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et...) sont maintenus à l'intérieur d'une barrière quantique circulaire de 48 atomes de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le...). IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du logiciel et...) Almaden Visualization Lab.

Dans notre monde (Le mot monde peut désigner :), si un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) en mouvement rencontre un obstacle, il peut le contourner -s'il a suffisamment d'énergie- ou bien il arrête sa course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.). Mais dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) quantique, une troisième possibilité existe: une particule peut traverser la barrière.

Ce phénomène est possible parce que la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) quantique est basée sur les probabilités. Une particule est représentée mathématiquement par une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte...). Son amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) à un endroit donné et à un moment donné correspond à la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) que la particule se trouve à cet endroit. Si elle rencontre une barrière, les chances qu'elle se retrouve de l'autre côté diminuent radicalement... mais elles ne deviennent pas nulles.

Par conséquent, certaines particules parviendraient à traverser l'obstacle. Il existe d'ailleurs des preuves expérimentales que les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) et les électrons utilisent cet effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands...). L'inconnue, comme le résume le Scientific American: ce phénomène se produit-il de façon instantanée ?

Pour répondre à cette question, des chercheurs de l'Université de Toronto (L'Université de Toronto (University of Toronto, U of T) est une université publique canadienne anglophone. Avec plus de 70 000 étudiants, elle constitue la plus grande...) ont réalisé une expérience complexe. Ils ont refroidi des atomes de rubidium (Le rubidium est un élément chimique, de symbole Rb et de numéro atomique 37.) près du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant...) absolu. Ils les ont ensuite dirigés vers un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) agissant comme un obstacle de 1,3 micron d'épaisseur. Cette barrière comportait un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en...), trop faible pour perturber l'effet tunnel, mais qui permettait de mesurer le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) nécessaire pour la traverser.

La réponse: environ 0,61 milliseconde. Très rapide, mais pas instantané, soulignent les chercheurs torontois.

Une question pas seulement théorique

Les principes de l'effet tunnel sont imaginés depuis les années 1920. Il aura toutefois fallu près d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la...) pour que les outils technologiques permettant d'en comprendre les mécanismes fassent leur apparition.

Les applications ne sont pas que théoriques, selon les chercheurs de Toronto: par exemple, les phénomènes de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas...) qui ont lieu dans le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) reposent sur l'effet tunnel.

Le phénomène est également à la base de différentes technologies, dont le microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix...). Son fonctionnement est basé sur le fait que la probabilité qu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) se déplace grâce à l'effet tunnel dépend de la distance qui le sépare de la surface. Cette sensibilité très précise aux distances permet de produire des images des surfaces métalliques au niveau atomique.

Enfin, les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) ordinateurs quantiques reposeront sur le principe des qbits, des unités d'information quantique. Pour caractériser et contrôler chaque qbit, il sera nécessaire d'avoir une image plus précise de ce qui se passe à cette échelle.
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