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Si vous lancez une balle contre un mur, elle va rebondir vers vous – c’est le résultat de la physique classique. Mais le monde de la physique quantique est beaucoup plus étrange; si vous faites la même chose avec une particule, il y a une chance pour qu’elle apparaisse soudainement de l’autre côté. Ceci est dû à un phénomène connu sous le nom de l’effet tunnel quantique, et maintenant une équipe de physiciens a mesuré en combien de temps ce processus se produit.

L’effet tunnel quantique

L’effet tunnel d’une particule passant par une barrière, n’est pas littéralement un «tunnel» à travers lequel une particule passerait, c’est en fait un produit du hasard mathématique. Supposons, par exemple, que vous établissiez la probabilité qu’une particule soit projetée contre un mur. Il y a de fortes chances pour qu’elle s’éloigne du mur – mais dans le monde quantique, vous ne pouvez jamais être sûr à 100% de quelque chose. Il y a une infime chance pour que la particule ignore le mur et continue son voyage de l’autre côté.
Bien que cela ressemble à de la science-fiction, l’effet tunnel quantique est un phénomène bien documenté, se produisant dans des objets de tous les jours tels que les microscopes électroniques et les transistors. Les particules élémentaires telles que les électrons sont également connues pour se « creuser » régulièrement un tunnel, ce qui est un facteur clé de la désintégration radioactive.
Mais un mystère persistant autour de ce phénomène réside dans le temps qu’il faut à une particule pour passer dans un tunnel quantique à travers une barrière. Certains scientifiques pensent que cela se produit instantanément, mais cela signifierait qu’elle voyagerait plus vite que la lumière et ainsi elle violerait le principe de causalité.

Il faut moins de 1,8 attoseconde pour qu’une particule passe dans un tunnel

Pour tenter de mesurer le temps de l’effet tunnel quantique, des chercheurs de l’Université Griffith et de l’Australian National University ont éjecté les atomes d’hydrogène à l’aide d’un intense laser produisant 1 000 impulsions lumineuses par seconde. L’idée est que cela crée des conditions favorables pour que l’électron puisse s’échapper d’un atome, ce qui permet à l’équipe de mesurer avec précision la durée de l’effet tunnel.
Le résultat? Le tunnel quantique semble se produire instantanément – ou du moins, si incroyablement rapidement que c’est essentiellement instantané. Selon les chercheurs, il faut moins de 1,8 attoseconde, ce qui représente un milliardième de milliardième de seconde pour qu’un électron passe par un tunnel quantique.
« Il existe un point bien défini où nous pouvons commencer cette interaction et un point où nous savons où cet électron devrait sortir s’il est instantané », a déclaré Robert Sang, coauteur principal de cette étude. « Donc, tout ce qui varie à partir de ce moment-là, nous savons qu’il a fallu autant de temps pour franchir la barrière. C’est ainsi que nous pouvons mesurer le temps qu’il faut. Il s’est avéré être d’accord avec la théorie, dans le cadre de l’incertitude expérimentale, compatible avec le creusement instantané de tunnels. »

Des précédentes expériences avaient calculé un temps différent

Fait intéressant, cela contraste avec des précédentes études qui mesuraient des temps de tunnel beaucoup plus longs. En 2017, des chercheurs de Max Planck ont ​​constaté que l’effet tunnel quantique prenait jusqu’à 180 attosecondes, mais l’équipe à l’origine de la nouvelle étude indique que des expériences antérieures comme celles-ci étaient trop compliquées et sujettes aux erreurs. Dans l’étude de Max Planck, par exemple, l’équipe a utilisé des atomes de krypton et d’argon, qui sont beaucoup plus complexes que l’hydrogène, qui n’a qu’un électron.
« Des précédents tests menés ailleurs avaient utilisé des atomes plus complexes, contenant plusieurs électrons », explique Igor Litvinyuk, coauteur principal de l’étude. « Pour rendre compte de l’interaction entre différents électrons, ils ont utilisé différents modèles approximatifs. Ils ont ensuite extrait les temps. Notre modèle n’a utilisé aucune approximation car nous n’avions pas à nous soucier des interactions électron-électron. En outre, dans l’une de ces expériences, ils ont mesuré le délai relatif entre deux espèces d’atomes et non le délai d’un seul atome.  »
Les chercheurs disent qu’ils ont résolu ce mystère de la physique de longue date, mais dans le véritable esprit de la physique quantique, peut-être que ne serons jamais sûrs à 100%.
Cette recherche a été publiée dans Nature.
Source : Griffith University
Crédit photo : Pixabay

L'effet tunnel quantique serait quasi instantanémartinPhysique
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