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 ».
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).
« 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.
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.
