L’effet tunnel, une caractéristique clé de la mécanique quantique, se produit lorsqu’une particule qui rencontre une barrière apparemment insurmontable la traverse et se retrouve de l’autre côté. Une série d’expériences menées par des physiciens de l’Université Griffith, de l’Université de Lanzhou, de l’Université nationale australienne, de l’Université Drake et de l’Institut coréen des sciences fondamentales a permis de déterminer définitivement le délai d’effet tunnel, qui correspond également au temps nécessaire à un électron pour sortir ou s’ioniser d’un atome d’hydrogène.
Satya Sainadh et al ont fixé une limite supérieure de 1,8 attoseconde à tout délai d’effet tunnel, en accord avec les résultats théoriques et excluant l’interprétation de tous les “temps d’effet tunnel” couramment utilisés comme le temps passé par un électron sous la barrière de potentiel. Crédit image : Université Griffith.
“Dans le monde classique, les grands corps physiques obéissent aux lois de la physique de Newton”, a déclaré le co-auteur principal, le professeur Robert Sang, du Centre de dynamique quantique de l’université Griffith.
“Si vous vous appuyez sur un mur, ce mur repousse avec force pour que vous ne le traversiez pas. Mais lorsque vous descendez au niveau microscopique, les choses se comportent tout à fait différemment. C’est là que les lois de la physique passent du classique au quantique.”
Le professeur Sang et ses collègues ont mené des expériences à l’Australian Attosecond Science Facility pendant trois ans, qui ont permis de mesurer le temps nécessaire à une particule pour traverser ce mur.
“Nous utilisons l’atome le plus simple, l’hydrogène atomique, et nous avons constaté qu’il n’y a aucun retard dans ce que nous pouvons mesurer”, a déclaré le professeur Sang.
Les chercheurs ont mis en place une expérience où ils ont utilisé une des propriétés de la lumière et l’ont transformée en une ” horloge ” appelée attoclock.
En envoyant une impulsion de lumière pour interagir avec un atome d’hydrogène, ils créent les conditions pour que l’électron solitaire de cet atome puisse traverser une barrière par effet tunnel.
“Il y a un point bien défini où nous pouvons commencer cette interaction, et il y a un point où nous savons où cet électron devrait sortir si c’est instantané”, a déclaré le professeur Sang.
“Donc tout ce qui varie par rapport à ce moment-là, nous savons qu’il a fallu ce temps-là pour franchir la barrière. C’est ainsi que nous pouvons mesurer le temps qu’il faut.”
“Il s’est avéré être en accord avec la théorie dans les limites de l’incertitude expérimentale, ce qui est cohérent avec un passage instantané par tunnel.”
Le temps de passage dans le tunnel mesuré par l’équipe s’est avéré ne pas dépasser 1,8 attoseconde, ce qui est beaucoup plus petit que ce que certaines théories avaient prédit.
“Nous savons maintenant que le temps de passage dans le tunnel doit être inférieur à 1,8 attoseconde, soit un milliardième de milliardième de seconde “, a déclaré le Dr Igor Litvinyuk, co-auteur principal, également du Centre de dynamique quantique de l’Université Griffith.
“Il est difficile d’apprécier à quel point c’est court, mais il faut à un électron environ cent attosecondes pour tourner autour d’un noyau dans un atome”.
“Les tests précédents, ailleurs, ont utilisé des atomes plus compliqués, contenant plusieurs ou de nombreux électrons”, a-t-il expliqué.
“Pour tenir compte de l’interaction entre les différents électrons, ils ont utilisé différents modèles approximatifs. Et à partir de ces modèles, ils ont extrait les temps.”
“Notre modèle n’utilisait aucune approximation parce que nous n’avions pas à nous soucier des interactions électron-électron.”
“De plus, dans l’une de ces expériences, ils ont mesuré le retard relatif entre deux espèces d’atomes et non le retard d’un seul atome.”
Les résultats sont publiés dans le journal Nature.
