Le tunnel quantique permet aux particules de contourner les barrières énergétiques. Une nouvelle méthode a été proposée pour mesurer le temps nécessaire aux particules pour tunneliser, ce qui pourrait remettre en question les affirmations précédentes sur les vitesses de tunneling supraluminiques. Cette méthode consiste à utiliser des atomes comme horloges pour détecter de subtiles différences horaires. Crédit : Issues.fr.com
Dans un phénomène étonnant de physique quantique appelé effet tunnel, les particules semblent se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière. Cependant, les physiciens de Darmstadt estiment que le temps nécessaire aux particules pour pénétrer dans un tunnel a été mesuré jusqu'à présent de manière incorrecte. Ils proposent une nouvelle méthode pour arrêter la vitesse des particules quantiques.
En physique classique, il existe des règles strictes qui ne peuvent être contournées. Par exemple, si une balle qui roule n’a pas assez d’énergie, elle ne franchira pas une colline, mais fera demi-tour avant d’atteindre le sommet et inversera sa direction. En physique quantique, ce principe n’est pas aussi strict : une particule peut franchir une barrière, même si elle n’a pas assez d’énergie pour la franchir. Il agit comme s’il glissait dans un tunnel, c’est pourquoi ce phénomène est également connu sous le nom de « tunnel quantique ». Ce qui semble magique a des applications techniques tangibles, par exemple dans les lecteurs de mémoire flash.
Tunneling quantique et relativité
Dans le passé, des expériences dans lesquelles des particules pénétraient plus rapidement que la lumière ont attiré l'attention. Après tout, la théorie de la relativité d’Einstein interdit les vitesses supérieures à la lumière. La question est donc de savoir si le temps nécessaire au tunneling a été correctement « arrêté » dans ces expériences. Les physiciens Patrik Schach et Enno Giese de la TU Darmstadt suivent une nouvelle approche pour définir le « temps » d'une particule tunnel. Ils ont maintenant proposé une nouvelle méthode de mesure de ce temps. Dans leur expérience, ils le mesurent d’une manière qui, selon eux, est mieux adaptée à la nature quantique du tunneling. Ils ont publié le plan de leur expérience dans la célèbre revue Avancées scientifiques.
Dualité onde-particule et tunnel quantique
Selon la physique quantique, les petites particules comme les atomes ou les particules lumineuses ont une double nature.
Selon les expériences, ils se comportent comme des particules ou comme des ondes. L’effet tunnel quantique met en évidence la nature ondulatoire des particules. Un « paquet de vagues » roule vers la barrière, comparable à une vague d’eau. La hauteur de l'onde indique la probabilité avec laquelle la particule se matérialiserait à cet endroit si sa position était mesurée. Si le paquet d’ondes heurte une barrière énergétique, une partie est réfléchie. Cependant, une petite partie traverse la barrière et il existe une faible probabilité que la particule apparaisse de l’autre côté de la barrière.
Réévaluation de la vitesse de perçage des tunnels
Des expériences antérieures ont observé qu’une particule lumineuse avait parcouru une distance plus longue après avoir creusé un tunnel qu’une particule ayant un libre parcours. Elle aurait donc voyagé plus vite que la lumière. Il a toutefois fallu que les chercheurs définissent la localisation de la particule après son passage. Ils ont choisi le point le plus élevé de son paquet d'ondes.
« Mais la particule ne suit pas un chemin au sens classique du terme », objecte Enno Giese. Il est impossible de dire exactement où se trouve la particule à un moment donné. Il est donc difficile de se prononcer sur le temps nécessaire pour se rendre d’un point A à un point B.
Une nouvelle approche pour mesurer le temps de tunneling
Schach et Giese, quant à eux, s'inspirent d'une citation d'Albert Einstein : « Le temps est ce que l'on lit sur une horloge. » Ils suggèrent d’utiliser la particule tunnel elle-même comme horloge. Une deuxième particule qui ne tunnelise pas sert de référence. En comparant ces deux horloges naturelles, il est possible de déterminer si le temps s’écoule plus lentement, plus rapidement ou tout aussi rapidement lors du tunnel quantique.
La nature ondulatoire des particules facilite cette approche. L’oscillation des vagues est semblable à l’oscillation d’une horloge. Plus précisément, Schach et Giese proposent d'utiliser des atomes comme horloges. Les niveaux d'énergie des atomes oscillent à certaines fréquences. Après avoir adressé un atome avec une impulsion laser, ses niveaux oscillent initialement de manière synchronisée – l’horloge atomique est démarrée. Cependant, pendant le tunneling, le rythme change légèrement. Une seconde impulsion laser fait interférer les deux ondes internes de l’atome. La détection des interférences permet de mesurer la distance qui sépare les deux ondes des niveaux d’énergie, ce qui constitue une mesure précise du temps écoulé.
Un deuxième atome, qui ne tunnelise pas, sert de référence pour mesurer la différence de temps entre tunneling et non tunneling. Les calculs effectués par les deux physiciens suggèrent que la particule tunnel affichera un temps légèrement retardé. «L'horloge tunnelée est légèrement plus ancienne que l'autre», explique Patrik Schach. Cela semble contredire les expériences qui attribuaient la vitesse supraluminique au tunnel.
Le défi de la mise en œuvre de l’expérience
En principe, le test peut être réalisé avec la technologie actuelle, explique Schach, mais il s'agit d'un défi majeur pour les expérimentateurs. En effet, le décalage horaire à mesurer n'est que d'environ 10-26 secondes – un temps extrêmement court. Il est utile d'utiliser des nuages d'atomes comme horloges au lieu d'atomes individuels, explique le physicien. Il est également possible d'amplifier l'effet, par exemple en augmentant artificiellement les fréquences d'horloge.
« Nous discutons actuellement de cette idée avec des collègues expérimentateurs et sommes en contact avec nos partenaires du projet », ajoute Giese. Il est fort possible qu’une équipe décide prochainement de réaliser cette expérience passionnante.
