À quelle vitesse les atomes peuvent-ils glisser, fantômes, à travers les barrières?

En 1927, tout en essayant de comprendre comment les atomes se lient pour former des molécules, le physicien allemand Friedrich Hund découvrit l’un des aspects les plus séduisants de la mécanique quantique. Il a découvert que, dans certaines conditions, les atomes, les électrons et d’autres petites particules de la nature peuvent traverser des barrières physiques qui confondraient les objets macroscopiques, se déplaçant comme des fantômes à travers les murs. Selon ces règles, un électron piégé pourrait échapper à l’emprisonnement sans influence extérieure, comme une balle de golf assise dans le premier trou d’un parcours disparaissant soudainement et apparaissant dans le deuxième trou sans que personne ne soulève un club. Le phénomène était totalement étranger, et il est venu à être connu sous le nom de «tunnel quantique».

Depuis lors, les physiciens ont découvert que les tunnels jouent un rôle clé dans certains des phénomènes les plus dramatiques de la nature. Par exemple, le tunnel quantique fait briller le soleil: il permet aux noyaux d’hydrogène dans les noyaux des étoiles de se blottir suffisamment près pour fusionner en hélium. De nombreuses matières radioactives, telles que l’uranium 238, se désintègrent en éléments plus petits en éjectant des matières par tunnel. Les physiciens ont même exploité le tunneling pour inventer la technologie utilisée dans les prototypes d’ordinateurs quantiques, ainsi que le soi-disant microscope à effet tunnel, qui est capable d’imager des atomes uniques.

Pourtant, les experts ne comprennent pas le processus en détail. Publier dans La nature aujourd’hui, des physiciens de l’Université de Toronto rapportent une nouvelle mesure de base sur le tunnel quantique: combien de temps cela prend. Pour revenir à l’analogie du golf, ils ont essentiellement chronométré la durée de la balle entre les trous. «Dans l’expérience, nous avons demandé:« Combien de temps une particule donnée a-t-elle passé dans la barrière? », Déclare le physicien Aephraim Steinberg de l’Université de Toronto, qui a dirigé le projet.

Une « barrière » pour un atome n’est pas un mur matériel ou un diviseur. Pour confiner un atome, les physiciens utilisent généralement des champs de force constitués de lumière ou peut-être d’un mécanisme invisible tel que l’attraction ou la répulsion électrique. Dans cette expérience, l’équipe a piégé des atomes de rubidium sur un côté d’une barrière faite de lumière laser bleue. Les photons du faisceau laser formaient un champ de force, poussant sur le rubidium pour le maintenir confiné dans l’espace. Ils ont découvert que les atomes passaient environ 0,61 milliseconde dans la barrière lumineuse avant de sortir de l’autre côté. Le temps exact dépendait de l’épaisseur de la barrière et de la vitesse des atomes, mais leur principale conclusion est que «le temps de tunnel n’est pas nul», explique le physicien Ramón Ramos, qui était alors étudiant diplômé de Steinberg et est maintenant un chercheur postdoctoral à l’Institut des sciences photoniques en Espagne.

Ce résultat contredit une découverte expérimentale de l’année dernière, également publiée dans La nature», explique la physicienne Alexandra Landsman de l’Ohio State University, qui n’a participé à aucune des deux expériences. Dans cet article, une équipe dirigée par des physiciens de l’Université Griffith en Australie a présenté des mesures suggérant que le tunnelage se produit instantanément.

Alors, quelle expérience est la bonne? Le tunneling se produit-il instantanément ou prend-il environ une milliseconde? La réponse n’est peut-être pas si simple. Les divergences entre les deux expériences découlent d’un désaccord de longue date dans la communauté de la physique quantique sur la façon de maintenir le temps à l’échelle nanométrique. «Au cours des 70, 80 dernières années, les gens ont proposé de nombreuses définitions du temps», dit Landsman. «Isolées, de nombreuses définitions ont beaucoup de sens, mais en même temps, elles font des prédictions qui se contredisent. C’est pourquoi il y a eu tant de débats et de controverses au cours de la dernière décennie. Un groupe penserait qu’une définition a du sens, tandis qu’un autre en penserait une autre.

Le débat devient lourd en mathématiques et ésotérique, mais l’essentiel est que les physiciens ne sont pas d’accord sur le moment où un processus quantique démarre ou s’arrête. La subtilité est évidente lorsque vous vous souvenez que les particules quantiques n’ont généralement pas de propriétés définies et existent en tant que probabilités, tout comme une pièce de monnaie qui saute dans les airs n’est ni tête ni queue mais a la possibilité d’être l’une ou l’autre jusqu’à ce qu’elle atterrisse. Vous pouvez considérer un atome comme une onde, étalée dans l’espace, où sa position exacte n’est pas définie – il peut avoir une probabilité de 50% d’être à un endroit et de 50% à un autre, par exemple. Avec ces propriétés vagues, il n’est pas évident de savoir ce qui compte comme la particule «entrant» ou «sortant» de la barrière. En plus de cela, les physiciens ont le défi technique supplémentaire de créer un mécanisme de chronométrage suffisamment précis pour démarrer et s’arrêter à l’unisson avec le mouvement de la particule. Steinberg peaufine cette expérience depuis plus de deux décennies pour atteindre le niveau de contrôle nécessaire, dit-il.

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Written by Naruto Uzumaki

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