3.5K Partages

Parmi les étranges caractéristiques de la mécanique quantique, il y a un phénomène connu sous le nom d’effet tunnel, qui désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, même si son énergie est inférieure à l’énergie minimale requise pour franchir cette dernière. À présent, une nouvelle étude met en lumière le fait que cet effet est si rapide qu’il est presque instantané, suggérant de ce fait qu’il soit également plus rapide que la vitesse de la lumière.

L’effet tunnel est un effet purement quantique, qui ne peut pas s’expliquer par la mécanique classique. En effet, pour une particule, la fonction d’onde, dont le carré du module représente la densité de probabilités de présence, ne s’annule pas au niveau de la barrière, mais s’atténue à l’intérieur de celle-ci (pratiquement exponentiellement pour une barrière assez large).

Si, à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, cela signifie qu’elle peut traverser cette barrière. Cette probabilité dépend des états accessibles de part et d’autre de la barrière ainsi que de l’extension spatiale de cette dernière. En gros, il s’agit d’une particule subatomique qui peut surmonter une barrière, qui serait infranchissable dans un modèle physique classique.

Des générations d’étudiants en physique ont appris ce phénomène avec des analogies comme des objets qui passent à travers les murs, mais la durée de ce processus a toujours été un grand mystère.

À présent, une nouvelle étude a permis de déterminer le temps qu’il faut à ce processus pour se produire. Selon les résultats des chercheurs, ce serait si rapide que le procédé peut être considéré comme étant presque instantané, auquel cas, ces particules dépasseraient la vitesse de la lumière.

Bien entendu, cet effet tunnel est si rapide qu’il est extrêmement difficile à mesurer. Les efforts récents ont utilisé des atomes lourds, nécessitant des mesures indirectes. Le Dr Igor Litvinyuk, de l’Université Griffith, a déclaré que le centre scientifique australien Attosecond Science, est « le seul endroit au monde possédant les trois types d’équipement requis pour mesurer le temps qu’il faut aux électrons pour s’échapper de l’emprise d’un atome d’hydrogène ».

effet tunnel tunneling electron vitesse lumiere rapide

Schéma de l’expérience montrant comment le champ électrique en rotation crée une montre permettant de mesurer le temps qu’impliquent les électrons pour s’échapper. Crédits : Sainadh et al./Nature

Litvinyuk a aidé à mettre cette combinaison expérimentale en pratique, expliquant que ce processus ne prend pas plus de 1.8 attoseconde (à savoir qu’une attoseconde équivaut à 1×10−18 seconde. Par exemple, une attoseconde est pour une seconde, ce qu’une seconde est pour environ 31.71 milliards d’années).

Cliquez ici pour supprimer les publicités.

« Il est difficile de comprendre à quel point c’est court, mais il faut environ cent attosecondes pour orbiter un noyau dans un atome », a déclaré Robert Sang, co-auteur de l’étude. À savoir qu’en théorie, la durée du tunneling limite la vitesse de commutation des transistors, par conséquent, une courte durée rend l’optique des ordinateurs ultra-rapides, plus réaliste.

Selon les résultats de l’étude, qui sont ouverts à la possibilité d’un tunneling instantané, l’électron voyagerait d’un point A à un point B en un temps nul, dépassant ainsi la vitesse de la lumière. « C’est de la physique quantique, cela ne signifie pas nécessairement que les vitesses supraluminiques pourraient être utilisées pour transporter des informations », a déclaré Litvinyuk.

Les travaux de Litvinyuk pourraient nous en apprendre beaucoup sur la physique quantique ! En effet, certains processus subatomiques impliquent une séquence d’étapes, l’effet tunnel compris. « Nous savons que l’atome de test ne nous donne aucun retard, alors tous les autres retards peuvent être calibrés à cet égard », a déclaré Litvinyuk.

Vous aimerez également : La vitesse de la lumière dans le vide est-elle influencée par les fluctuations quantiques ?

Pour effectuer cette découverte, Litvinyuk a frappé les atomes d’hydrogène dans des champs électriques en rotation avec des éclats de lumière extrêmement courts mais terriblement puissants. Cela a permis de stimuler le tunneling des électrons, avec un angle de fuite (des électrons) dépendant du temps de tunneling. Les directions des électrons étaient indiscernables de celles qu’ils prendraient si le tunneling était instantané.

Les éclats de lumière transportaient 30 gigawatts d’énergie, ce qui équivaut à bien plus que la norme pour l’ensemble du réseau électrique australien. « Chaque impulsion était produite en comprimant des ondes beaucoup moins énergétiques, afin de produire une rafale de rayonnement exceptionnellement brève, mais extrêmement puissante », a déclaré Litvinyuk.

VIDÉO : Des physiciens résolvent un grand mystère du monde quantique, en mesurant le temps de l’effet tunnel

Source : Nature

tunnel effet tunneling electron particules atomes vitesse lumiere physique qunatique

9 Réponses

  1. Eric Jalade

    Bonjour, je suis un profane en physique (je n’ai pas le BAC) toutefois je m’intéresse à la physique bien qu’étant incapable d’en comprendre la moindre équation.
    J’essaie de me représenter “l’effet tunnel” qui permet à des atomes de franchir des barrières qu’ils ne devraient pas par manque d’énergie et qui plus est le feraient à des vitesses supraluminique.
    Si j’ai bien compris pour me représenter cette chose, je prends un tube creux de 1 mètre de long, je veux envoyer une information binaire à l’autre bout en y introduisant une bille de 1 cm de diamètre. Ma bille va devoir parcourir 1 mètre dans ce tube pour parvernir à l’autre bout même à la vitesse de la lumière (c’est la physique telle qu’on la conçoit pour transmettre une information binaire). Elle implique donc un délai et une énergie pour parcourir 1 mètre.
    Si maintenant je veux transmettre la même information avec ce même tube de 1 mètre mais que j’ai préalablement rempli avec 100 billes identiques ; lorsque je vais introduire la 101ème, ma bille ne va pas voyager, elle va pousser hors du tube celle qui est en trop plus vite qu’en parcourant la longueur du tube et sans énergie.
    Les physiciens cherchent à expliquer pourquoi on arrive pas à voir plus de 95% de la masse de l’Univers : la matière dite “noire” alors qu’on baigne dedans. Ne serait-elle pas faite de tubes déjà pleins ?

    Répondre
    • marion

      L’analogie avec les billes ne fonctionne pas car les billes interagissent entre-elles avec des forces électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière. Lorsque vous touchez un objet, à l’échelle atomique, les atomes de votre main ne touchent pas les atomes de l’objet. Les atomes, possédant une charge électromagnétique, se repoussent, ce qui permet à votre main de ne pas traverser l’objet (pour rappel les atomes sont essentiellement composés de vide). Et c’est également des forces électromagnétiques qui maintiennent les atomes de l’objet entre eux. Donc même au sein d’un même objet on ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière. Sinon on pourrait imaginer prendre un bâton d’une année lumière de long et pousser ou tirer dessus pour communiquer instantanément avec une personne située à l’autre bout.

      Répondre
      • Eric Jalade

        Merci Marion d’avoir pris le temps de me répondre. Effectivement je comprends bien le sens de votre explication et j’y souscris. Vous soulignez que les atomes sont pleins de vide et que la matière constituée maintient ses “distances” grâce aux forces électromagnétiques. Ca laisse soupçonner une certaine “élasticité” à laquelle les photons seraient contraints.
        Pour concrétiser ce que je veux dire, je vais prendre l’image de la propagation du son : Imaginons qu’on place un émetteur de bruit et un récepteur de bruit à 1 mètre de distance. Dans le vide, on aura beau déchaîner tous les Watts de l’ampli, côté récepteur on ignora tout du dernier tube de Céline Dion. Si on introduit dans le milieu ambiant un élément “baignant” l’onde sonore va apparaître et se propager de plus en plus vite en fonction de la densité du milieu “baignant”.
        On est tous un peu comme mon poisson rouge, un jour, sans doute accidentellement, un primate pro-humain à crée le premier feu artificiel au fond de sa grotte. Il ignorait sans doute qu’il venait de découvrir l’énergie à la base de notre civilisation. Ceci dit cet être providentiel refuserait de croire que ses descendants ont inventé la roue plusieurs milliers d’années après…
        Vu de l’extérieur, technologiquement parlant, il n’est pas très crédible que le feu ait devancé la roue. Faut-il y voir le poids des dogmes ?

  2. Eric Jalade

    Suite à mes interrogations pour me représenter “l’effet tunnel” et le matière noire, l’autre jour j’ai parlé de ça à mon poisson rouge dans l’aquarium … il s’interrogeait aussi sur son Univers (il est un peu matheux) ; Il me disait par le tube d’air : “Je ne comprends pas, j’ai additionné la masse du sable du fond, celle des collègues qui nagent avec moi, les plantes, les rochers, les amphores ridicules que tu nous a mises entre les algues, l’épave de galion espagnol, … et il me manque 95% de ce que j’espérais trouver ! Je suis ai répondu que le reste c’était l’eau … Y me dit “C’est koi l’o ?” … En même temps c’est qu’un poisson rouge.

    Répondre
    • Eric Jalade

      Zut ! J’ai parlé de dogmes ! J’aurai pas dû. Dans l’histoire humaine elle justifiât qu’on jette au bûcher ceux qui ne se ne conformaient pas aux dogmes. Un dogme est une sorte d’anti-corps qui permet de se protéger face à une infection inconnue. Il constitue donc une inertie qui protège les fondamentaux universels. De manière générale, le doute est très mal vu, on arrête de le financer, ça suffit pour le discréditer.
      Dotés d’un esprit cartésien, Enrico Fermi ou Frank Drake auraient dus rester cantonnés dans leur savoir scientifique et pourtant ils étaient habités par le doute.
      Le doute naît du refus intellectuel d’admettre le ratio entre le savoir acquit et celui qui nous conduirait à penser “logiquement” que l’espèce humaine est le “Mètre Etalon” de l’Univers. Bien entendu ceci n’altère pas le fait que chacun est libre de croire en quelque chose de supérieur (ou pas), toutefois la nature est beaucoup trop pragmatique pour nous avoir permis de l’observer si ça ne sert à rien.

      Répondre
  3. Eric Jalade

    Je voudrais préciser mon propos. La nature a doté l’être humain de cinq sens qui lui permettent d’interagir avec son environnement. La curiosité qui habite l’espèce nous à poussé à inventer des technologies pour les amplifier : l’outil fût le premier d’entre eux, il est le prolongement de la main (le toucher), il sert à travailler de la matière qui est plus dure que nos ongles. En deuxième position je mettrais la vue : Le télescope nous permet de voir plus loin, le microscope nous permet de voir plus prés, avec des filtres on arrive même à voir des fréquences (Infrarouge ou UV) que notre oeil est incapable de percevoir. En dehors du feu artificiel ou de la roue, un autre concept nous a sorti du règne animal (qu’on partage avec l’araignée) c’est le piège. Qu’il permettent de capturer du gibier sans courir après et de le tuer sans risques ou qu’il soit à particules, le principe est le même : On s’assoie et on attend.
    Je reprends les propos de Marion : (pour rappel les atomes sont essentiellement composés de vide). Encore faudrait-il être capable de définir “le vide” sachant qu’on ignore de quoi est fait les 95 % du milieu “baignant” sur lesquels nos cinq sens nous renseignent.
    Au delà de tout ça il y a “l’esprit” qui conduit les plus cartésiens à formuler leurs doutes sous forme d’équations (Fermi ou Drake) en s’interrogeant sur d’hypothétiques “aînés universels”. Le physicien Albert Einstein a dit “Dieu ne joue pas aux dés”, le poëte Alphonce de Lamartine “Objets inanimés avez-vous donc une âme ?”. Contrairement aux méduses, ces champs de réflexion d’élites nous ouvrent la piste du doute sensoriel.
    La question que je me pose c’est : Quel piège construire pour répondre à nos questions tout en restant dans le domaine de nos sens ?

    Répondre
  4. Eric Jalade

    Il est aussi une chose qui m’intrigue beaucoup et qui me fait penser que la nature est pragmatique en donnant à certaines espèces le pouvoir d évoluer génétiquement.
    Charles Darwin s’est penché sur l’évolution des espèces, du moins celles qui ont survécu aux lois de la nature.
    Pourquoi et quels motifs peuvent pousser la Nature à modifier génétiquement une espèce quelconque pour qu’elle s’adapte à elle-même ? Visiblement elle prend son temps (qui n’est pas à la même échelle que celle qu’on perçoit) et qui pourtant semble orienté vers la continuité du vivant. L’espèce Humaine à dû cocher un grand nombre de cases pour en être où elle en est aujourd’hui. Le but de tout ça n’est sans doute pas “lucratif”, la Nature a déjà tout. Qu’attend-t-elle des espèces à qui elle permet d’exister et d’évoluer ?
    On peut toujours s’enfermer dans des considérations rassurantes comme la connaissance scientifique, la religion (au sens large), l’art, la philosophie, la pêche aux moules ou l’apéro entre amis mais le doute subsistera.

    Répondre
  5. Eric Jalade

    Petit rappel, je suis une quiche complète dans le domaine qui touche le langage codé des formules mathématiques et physiques (à ce titre je suis incapable de lire aussi une partition musicale). Je suis un “touriste” en matière scientifique tout comme je suis capable d’apprécier une symphonie sans pouvoir la retranscrire sur une partition. On est tous prisonniers de nos sens. L’art et la philosophie nous font rêver … La science et la technologie nous ont permis de voler et d’aller sur la Lune.
    Alors pourquoi on ne se permettrait pas de rêver ne serai-ce qu’une seule petite seconde de plus ? Hein ? Non mais … !!! P**** enc*/*** de mer*** !!!

    Répondre
  6. Eric Jalade

    Ceci dit, par honnêteté intellectuelle, je doute fort qu’un jour vous voyez en vrai un T-Rex en voyageant dans le temps. Si vous en voyez un vrai, ce sera parce que des “ainés” galactiques en auront gardé des documents “filmés” dans leurs archives. Croire aux paradoxes qui laisseraient croire qu’en tuant l’ancêtre d’un être ferait qu’il ne pourrait pas exister, relève aussi d’une approche “Hollywoodienne”. Pourquoi pas ? Dans ce cas comment intégrer le paramètre de l’absurde dans E=MC² ?

    Répondre

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.

electron particule elementaire L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]

Lire la suite

3.5K Partages
3.5K Partages
Partager via
Copier le lien