Lorsque vous traitez des choses à l'échelle quantique, où les choses sont très petites, le monde est assez flou et bizarre par rapport à nos expériences quotidiennes.

Par exemple, nous ne pouvons généralement pas traverser des murs solides. Mais à l'échelle quantique, lorsqu'une particule rencontre une barrière apparemment infranchissable, il peut parfois passer de l'autre côté - un processus connu sous le nom de tunnel quantique.

Mais la vitesse à laquelle une particule pouvait traverser une barrière était toujours un casse-tête.

Dans les travaux publiés aujourd'hui dans Nature, nous avons résolu une partie du problème.

Pourquoi est-ce important ? C'est une percée qui pourrait avoir un impact sur les futures technologies que nous voyons dans nos maisons, au travail ou ailleurs.

De nombreuses technologies d'aujourd'hui - telles que les semi-conducteurs, l'écran LED de votre smartphone, ou lasers – sont basés sur notre compréhension du fonctionnement des choses dans le monde quantique.

Donc plus nous pouvons apprendre, plus nous pouvons nous développer.

Retour au tunnel

Pour les particules quantiques, comme les électrons, quand nous disons qu'ils peuvent creuser des tunnels à travers les barrières, nous ne parlons pas d'obstacles physiques, mais des barrières d'énergie.

L'effet tunnel est possible en raison de la nature ondulatoire de l'électron. La mécanique quantique attribue la nature ondulatoire à chaque particule, et donc il y a toujours une probabilité finie pour l'onde de se propager à travers des barrières, tout comme le son traverse les murs.

Cela peut sembler contre-intuitif, mais c'est ce qui est exploité dans des technologies comme les microscopes à effet tunnel, qui permettent aux scientifiques de créer des images avec une résolution atomique. Ceci est aussi naturellement observé dans la fusion nucléaire, et dans les processus biologiques tels que la photosynthèse.

Bien que le phénomène d'effet tunnel quantique soit bien étudié et utilisé, les physiciens n'en avaient pas encore une compréhension complète, surtout en ce qui concerne sa dynamique.

Si nous pouvions exploiter la dynamique du tunneling - par exemple, utilisez-le pour transporter plus d'informations - cela pourrait peut-être nous donner une nouvelle idée des futures technologies quantiques.

Un test de vitesse en tunnel

La première étape vers cet objectif est de mesurer la vitesse du processus de tunnellisation. Ce n'est pas simple, car les échelles de temps impliquées dans la mesure sont extrêmement petites.

Pour des barrières énergétiques de la taille de quelques milliardièmes de mètre, comme dans notre expérience, certains physiciens avaient calculé que le processus d'effet tunnel prendrait environ une centaine d'attosecondes (1 attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde).

Pour mettre les choses en perspective, si une attoseconde est étirée à une seconde, puis une seconde équivaut à l'âge de l'univers.

Les temps estimés sont si extrêmement petits qu'ils étaient auparavant traités comme pratiquement instantanés. Par conséquent, pour notre expérience, nous avions besoin d'une horloge capable de chronométrer ces événements avec une précision et une précision énormes.

Les avancées technologiques des systèmes laser ultrarapides nous ont permis de mettre en œuvre une telle horloge à l'Australian Attosecond Science Facility, Centre de dynamique quantique, à l'Université Griffith.

L'horloge de l'expérience n'est ni mécanique ni électrique – c'est plutôt le vecteur de champ électrique tournant d'une impulsion laser ultrarapide.

La lumière n'est qu'un rayonnement électromagnétique composé de champs électriques et magnétiques variant à un rythme rapide. Nous avons utilisé ce champ en évolution rapide pour induire un effet tunnel dans l'hydrogène atomique et également comme chronomètre pour mesurer quand il se termine.

À quelle vitesse?

Le choix d'utiliser l'hydrogène atomique (qui est simplement une paire liée d'un électron et d'un proton) évite les complications qui découlent d'autres atomes, facilitant la comparaison et l'interprétation des résultats sans ambiguïté.

Le temps de tunnel que nous avons mesuré n'était pas supérieur à 1,8 attoseconde, beaucoup plus petit que certaines théories l'avaient prédit. Cette mesure appelle un sérieux réexamen de notre compréhension de la dynamique tunnel.

Diverses théories ont estimé une gamme de temps de tunnelisation - de zéro à des centaines d'attosecondes - et il n'y avait pas de consensus parmi les physiciens sur quelle estimation théorique unique était correcte.

Une raison fondamentale des désaccords réside dans le concept même de temps en mécanique quantique. En raison des incertitudes quantiques, il ne peut y avoir de certitude absolue quant au moment où une particule entre ou sort de la barrière.

Mais des expériences comme la nôtre, en utilisant des mesures précises sur des systèmes simples, pourrait nous guider pour affiner notre compréhension de ces moments

Les prochaines technologies

Les sauts quantiques dans le monde technologique sont souvent enracinés dans la quête de la science fondamentale.

Les futures technologies quantiques qui intègrent de nombreuses caractéristiques quantiques – telles que la superposition et l'intrication – conduiront à ce que les technologues appellent la « deuxième révolution quantique ».

En comprenant parfaitement la dynamique quantique de l'événement tunnel atomique le plus simple possible - avec un seul proton et un seul électron - nous avons montré que certains types de théories peuvent être invoqués pour donner la bonne réponse, là où d'autres types de théories échouent.

Cela nous donne confiance quant aux théories à appliquer aux autres, systèmes plus complexes.

Les mesures à l'échelle de l'attoseconde ajoutent non seulement une dimension supplémentaire aux futures technologies quantiques, mais peuvent également aider fondamentalement à comprendre l'éléphant de la salle quantique :qu'est-ce que temps ?

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.