Au niveau subatomique, les particules peuvent voler à travers des barrières apparemment infranchissables comme des fantômes.
Pendant des décennies, les physiciens se sont demandés combien de temps ce prétendu tunnel tunnel quantique prenait. Maintenant, après une enquête de trois ans, une équipe internationale de physiciens théoriciens a une réponse. Ils ont mesuré un électron tunnel d'un atome d'hydrogène et ont constaté que son passage était pratiquement instantané, selon une nouvelle étude.
Les particules peuvent traverser des objets solides non pas parce qu'elles sont très petites (bien qu'elles le soient), mais parce que les règles de la physique sont différentes au niveau quantique.
Imaginez une balle dévalant une vallée vers une pente aussi haute que le mont Everest; sans un coup de pouce d'un jetpack, la balle n'aurait jamais assez d'énergie pour dégager la colline. Mais une particule subatomique n'a pas besoin de traverser la colline pour se rendre de l'autre côté.
Les particules sont également des ondes qui s'étendent à l'infini dans l'espace. Selon la soi-disant équation d'onde, cela signifie qu'une particule peut être trouvée dans n'importe quelle position sur l'onde.
Imaginez maintenant la vague frappant une barrière; il continue à travers mais perd de l'énergie, et son amplitude (la hauteur du pic) descend très bas. Mais si l'obstacle est suffisamment mince, l'amplitude de l'onde ne décroît pas jusqu'à zéro. Tant qu'il reste de l'énergie dans l'onde aplatie, il y a une chance - même petite - qu'une particule puisse voler à travers la colline et sortir de l'autre côté.
Mener des expériences qui ont capturé cette activité insaisissable au niveau quantique était pour le moins "très difficile", a déclaré le co-auteur de l'étude, Robert Sang, un physicien quantique expérimental et professeur à l'Université Griffith en Australie, dans Live Science dans un e-mail.
"Vous devez combiner des systèmes laser très compliqués, un microscope à réaction et un système de faisceau atomique d'hydrogène pour fonctionner tous en même temps", a déclaré Sang.
Leur configuration a établi trois points de référence importants: le début de leur interaction avec l'atome; le moment où un électron libéré devait sortir de derrière une barrière; et le moment où il est apparu, a déclaré Sang dans une vidéo.
Garder le temps avec la lumière
Les chercheurs ont utilisé un dispositif de chronométrage optique appelé attoclock - ultra-court, des impulsions lumineuses polarisées capables de mesurer les mouvements des électrons à l'attoseconde, ou un milliardième de milliardième de seconde. Leur attoclock baignait des atomes d'hydrogène dans la lumière à une vitesse de 1000 impulsions par seconde, qui ionisaient les atomes afin que leurs électrons puissent s'échapper à travers la barrière, ont rapporté les chercheurs.
Un microscope à réaction de l'autre côté d'une barrière a mesuré la quantité de mouvement de l'électron lors de sa sortie. Le microscope à réaction détecte les niveaux d'énergie dans une particule chargée après qu'elle interagit avec l'impulsion lumineuse de l'attoclock, "et de cela nous pouvons déduire le temps qu'il a fallu pour passer à travers la barrière", a déclaré Sang à Live Science.
"La précision à laquelle nous avons pu mesurer cela était de 1,8 attosecondes", a déclaré Sang. "Nous avons pu conclure que le tunnelage devait être inférieur à 1,8 attosecondes" - presque instantanément, a-t-il ajouté.
Bien que le système de mesure soit complexe, l'atome utilisé dans les expériences des chercheurs était simple: l'hydrogène atomique, qui ne contient qu'un seul électron. Des expériences antérieures menées par d'autres chercheurs utilisaient des atomes qui contenaient deux électrons ou plus, tels que l'hélium, l'argon et le krypton, selon l'étude.
Parce que les électrons libérés peuvent interagir les uns avec les autres, ces interactions peuvent affecter les temps de tunnelisation des particules. Cela pourrait expliquer pourquoi les estimations des études antérieures étaient plus longues que dans la nouvelle étude, et par dizaines d'attosecondes, a expliqué Sang. La simplicité de la structure atomique de l'hydrogène a permis aux chercheurs de calibrer leurs expériences avec une précision qui était hors de portée lors de tentatives précédentes, créant ainsi une référence importante par rapport à laquelle d'autres particules de tunnel peuvent désormais être mesurées, ont rapporté les chercheurs.
Les résultats ont été publiés en ligne le 18 mars dans la revue Nature.
