Difficile. Peut-être que cet adjectif est l’un de ceux qui définissent le mieux le quantique, une discipline qui remet en question la conception que nous avons du monde qui nous entoure et qui fait douter de ce que nous comprenons réellement et de ce que nous ne comprenons pas. Un phénomène très caractéristique de cette branche de la physique – et l’un des plus curieux et des plus attractifs en raison de son caractère unique – est l’effet tunnel, un événement qui permet aux particules de « sauter » ou de « traverser » les barrières ce qui, selon les lois classiques, devrait être insurmontable.
Cependant, le plus fascinant est que, même si cet effet peut ressembler à de la science-fiction ou à des histoires de vaisseaux spatiaux qui sautent d’un point à un autre de l’Univers en traversant des barrières invisibles, ce phénomène est non seulement réel, mais il a aussi des applications pratiques. . dans notre vie quotidienne et dans divers domaines scientifiques et technologiques.
UN CONCEPT RÉVOLUTIONNAIRE
L’effet tunnel a été l’un des premiers concepts nés de la mécanique quantique, dans les années 1920, grâce aux recherches de personnalités aussi importantes que Max Born, Werner Heisenberg ou Erwin Schrödinger, qui ont exploré le nature des vagues de particules subatomiques. De son côté, le physicien Friedrich Hund a inventé le terme « effet tunnel » en 1927, décrivant comment les particules peuvent pénétrerr obstacles potentiels sans disposer de suffisamment d’énergie classique pour les surmonter, défiant ainsi les lois physiques conventionnelles.
Au fil des décennies, l’effet tunnel a fait l’objet d’intenses recherches expérimentales et théoriques, avec des expériences clés telles que l’expérience de barrière potentielle menée par Brian Josephson dans les années 1960. Cette expérience a démontré que. les paires d’électrons pourraient franchir les barrières potentielles sans perdre d’énergie, confirmant ainsi les prédictions de la mécanique quantique et les hypothèses du reste des physiciens théoriciens. C’est précisément cette expérience qui a solidifié l’existence de l’effet tunnel et l’a établi comme l’un des fondements du quantique.
Or, au fil du temps, l’étude de l’effet tunnel a évolué et est devenue enrichi avec les contributions de nombreux scientifiques et physiciens théoriciens. De la compréhension des processus nucléaires dans les étoiles à ses applications en électronique et en nanotechnologie, l’effet tunnel est devenu un phénomène omniprésent et très polyvalent.
QU’EST-CE QUE L’EFFET TUNNEL ?
Répondre à la question de savoir ce qu’est l’effet tunnel sans entrer dans les détails techniques n’est pas une tâche simple, mais une explication simplifiée peut être donnée pour illustrer en quoi consiste ce processus unique. Imaginez que vous avez une balle qui dévale la montagne. Selon les lois de la physique classique, la balle aurait tendance à rouler vers le bassuivant l’inclinaison de la montagne : si je voulais monter jusqu’au sommet puis descendre, la balle nécessiterait de l’énergie supplémentaire cela l’a propulsée vers le haut.
Schéma représentatif de l’effet tunnel. En bleu, identifié comme « chemin classique », est indiqué le chemin que suivrait la particule selon la physique classique. En jaune, décrit comme « chemin de la mécanique quantique (tunnel) », le chemin réel que suit la particule lorsqu’elle subit l’effet tunnel est indiqué.
Cependant, en mécanique quantique, cette même balle pourrait « traverser » la montagne sans avoir besoin de cette énergie supplémentaire. En termes plus techniques, ce phénomène est connu sous le nom de «tunnel quantique», utilisant cette métaphore pour désigner un tunnel invisible qui relierait les deux côtés de la montagne sous le sommet et à travers lequel la balle pourrait parfaitement passer. Eh bien, cet exemple peut être extrapolé aux particules subatomiques, telles que les électrons, qui Ils pourront « sauter » certaines barrières énergétiques sans avoir besoin de disposer de suffisamment d’énergie pour les surmonter selon les lois de la physique classique.
Il est important de noter que l’effet tunnel ne se produit qu’à des échelles extrêmement petites, dans le monde subatomique. En fait, cela n’est perceptible que lorsque les particules échanger de l’énergie à des niveaux très baset est toujours régi par la deuxième loi de la thermodynamique : la quantité d’entropie dans l’Univers a tendance à augmenter avec le temps.
Max Born : le père éclipsé de la mécanique quantique
L’EFFET TUNNEL DANS LE MONDE RÉEL
Cependant, malgré cette manifestation à des échelles subatomiques, ses applications pratiques sont très larges et diverses, couvrant des domaines très variés. Par exemple, l’une des applications les plus importantes de l’effet tunnel réside dans le électronique et dans la conception de dispositifs conducteursqui profitent du tunnel quantique pour créer des changements brusques dans le flux de courant électrique, permettant ainsi une commutation plus rapide et plus efficace que les appareils plus conventionnels.
Aussi dans recherche et manipulation de structures à l’échelle nanométrique Il s’agit d’un phénomène de grande importance, notamment à travers microscopie à effet tunnel (STM). Le STM utilise ainsi l’effet tunnel pour explorer et visualiser des surfaces au niveau atomique, ce qui a permis des avancées significatives dans la compréhension et la conception de matériaux et de dispositifs à l’échelle nanométrique. Il est également essentiel pour la fabrication et le fonctionnement de nanodispositifs, comme les nanotubes de carbone ou les points quantiques, protagonistes du prix Nobel de chimie 2023.
Même dans médecine met en évidence l’effet tunnel, où il a commencé à être exploré pour des applications de diagnostic et traitement. Par exemple, l’imagerie par résonance magnétique tunnel (TQMR) est une technique qui utilise la tunnelisation pour améliorer la sensibilité et la précision de l’imagerie médicale, permettant ainsi une détection précoce des maladies ainsi que des conditions médicales, avec une résolution sans précédent.
