Les physiciens nous préviennent depuis longtemps que, dans l’univers de l’infiniment petit, les particules ont des propriétés étranges. Par exemple, elles peuvent traverser sans difficulté une barrière… infranchissable. Le phénomène, appelé effet tunnel, ne serait toutefois pas instantané, selon une nouvelle étude publiée dans la revue Nature.

Dans notre monde, si un objet en mouvement rencontre un obstacle, il peut le contourner —s’il a suffisamment d’énergie— ou bien il arrête sa course. Mais dans l’univers quantique, une troisième possibilité existe: une particule peut traverser la barrière.

Ce phénomène est possible parce que la physique quantique est basée sur les probabilités. Une particule est représentée mathématiquement par une onde. Son amplitude à un endroit donné et à un moment donné correspond à la probabilité que la particule se trouve à cet endroit. Si elle rencontre une barrière, les chances qu’elle se retrouve de l’autre côté diminuent radicalement… mais elles ne deviennent pas nulles.

Par conséquent, certaines particules parviendraient à traverser l’obstacle. Il existe d’ailleurs des preuves expérimentales que les photons et les électrons utilisent cet effet tunnel. L’inconnue, comme le résume le Scientific American: ce phénomène se produit-il de façon instantanée?

Pour répondre à cette question, des chercheurs de l’Université de Toronto ont réalisé une expérience complexe. Ils ont refroidi des atomes de rubidium près du zéro absolu. Ils les ont ensuite dirigés vers un laser agissant comme un obstacle de 1,3 micron d’épaisseur. Cette barrière comportait un champ magnétique, trop faible pour perturber l’effet tunnel, mais qui permettait de mesurer le temps nécessaire pour la traverser.

La réponse: environ 0,61 milliseconde. Très rapide, mais pas instantané, soulignent les chercheurs torontois.

Une question pas seulement théorique

Les principes de l’effet tunnel sont imaginés depuis les années 1920. Il aura toutefois fallu près d’un siècle pour que les outils technologiques permettant d’en comprendre les mécanismes fassent leur apparition.

Les applications ne sont pas que théoriques, selon les chercheurs de Toronto: par exemple, les phénomènes de fusion nucléaire qui ont lieu dans le Soleil reposent sur l’effet tunnel.

Le phénomène est également à la base de différentes technologies, dont le microscope à effet tunnel. Son fonctionnement est basé sur le fait que la probabilité qu’un électron se déplace grâce à l’effet tunnel dépend de la distance qui le sépare de la surface. Cette sensibilité très précise aux distances permet de produire des images des surfaces métalliques au niveau atomique.

Enfin, les futurs ordinateurs quantiques reposeront sur le principe des qbits, des unités d’information quantique. Pour caractériser et contrôler chaque qbit, il sera nécessaire d’avoir une image plus précise de ce qui se passe à cette échelle.

Photo: une surface de 5 nanomètres de large sur laquelle les atomes de cuivre sont maintenus à l'intérieur d'une barrière quantique circulaire de 48 atomes de fer. IBM Almaden Visualization Lab.