Briser la vitesse de la lumière : le mystère du tunnel quantique

Dans un phénomène étonnant de physique quantique appelé effet tunnel, les particules semblent se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière. Cependant, les physiciens de Darmstadt estiment que le temps passé par les particules dans le tunnel a jusqu’à présent été mal mesuré. Ils proposent une nouvelle façon d’arrêter la vitesse des particules quantiques.

En physique classique, il existe des règles strictes qui ne peuvent être contournées. Par exemple, si une balle qui roule n’a pas assez d’énergie, elle ne franchira pas la colline, mais fera demi-tour avant d’atteindre le sommet et inversera la direction. En physique quantique, ce principe n’est pas tout à fait strict : une particule peut franchir une barrière, même si elle ne dispose pas de suffisamment d’énergie pour la franchir. Il se comporte comme s’il glissait dans un tunnel, c’est pourquoi ce phénomène est également connu sous le nom de « tunnel quantique ». Ce qui semble magique a des applications techniques concrètes, par exemple dans les lecteurs de mémoire flash.

Tunnel quantique et relativité

Dans le passé, des expériences avec des particules plus rapides que la lumière ont attiré une certaine attention. Après tout, la théorie de la relativité d’Einstein interdit les vitesses supérieures à la lumière. La question est donc de savoir si le temps nécessaire au tunneling a été correctement « mis en pause » dans ces expériences. Les physiciens Patrick Schach et Eno Giese de l’Université de Darmstadt suivent une nouvelle approche pour déterminer le « temps » d’une particule tunnel. Ils ont maintenant proposé une nouvelle façon de mesurer ce temps. Dans leur expérience, ils l’ont mesuré d’une manière qu’ils estiment plus adaptée à la nature quantique du tunneling. Ils ont publié leur plan d’expérience dans le célèbre magazine Avancement de la science.

Dualité onde-particule et tunnel quantique

Selon la physique quantique, les petites particules comme les atomes ou les particules de lumière ont une double nature.

Selon les expériences, ils se comportent comme des particules ou comme des ondes. L’effet tunnel quantique met en évidence la nature ondulatoire des particules. Un « paquet de vagues » roule vers la barrière, semblable à un écoulement d’eau. La hauteur des vagues indique la probabilité qu’une particule se matérialise à cet endroit si sa position était mesurée. Si un paquet d’ondes heurte une barrière énergétique, une partie est réfléchie. Cependant, une petite partie pénètre dans la barrière et il existe une faible possibilité que la particule apparaisse de l’autre côté de la barrière.

Réévaluation de la vitesse du tunnel

Des expériences antérieures ont observé qu’une particule légère parcourait une distance plus longue après avoir creusé un tunnel qu’une particule ayant un libre parcours. Elle aurait donc voyagé plus vite que la lumière. Cependant, les chercheurs ont dû déterminer l’emplacement de la particule après son passage. Ils ont choisi le point le plus élevé du paquet d’ondes.

« Mais la particule ne suit pas un chemin au sens classique du terme », objecte Eno Giese. Il est impossible de déterminer exactement où se trouvait une particule à un moment donné. Il est donc difficile de faire des déclarations sur le temps nécessaire pour aller d’un point A à un point B.

Une nouvelle approche pour mesurer le temps de tunneling

D’un autre côté, Shash Brief s’inspire d’une citation d’Albert Einstein : « Le temps est ce que vous lisez sur l’horloge. » Ils proposent d’utiliser la particule tunnel elle-même comme horloge. La deuxième particule non dépensée sert de référence. En comparant ces deux horloges naturelles, il est possible de déterminer si le temps passe plus lentement, plus vite ou à la même vitesse lors du tunnel quantique.

La nature ondulatoire des particules facilite cette approche. L’oscillation des vagues est comme l’oscillation d’une horloge. Plus précisément, Schach et Giese proposent d’utiliser des atomes comme horloges. Les niveaux d’énergie des atomes oscillent à certaines fréquences. Après avoir adressé à A atome Avec une impulsion laser, leurs niveaux oscillent initialement de manière synchrone – l’horloge atomique démarre. Pendant le tunnel, le rythme change légèrement. Une deuxième impulsion laser provoque le chevauchement des deux ondes internes de l’atome. La détection des interférences permet de mesurer la distance qui sépare deux ondes de niveau d’énergie, ce qui constitue une mesure précise du temps écoulé.

Quant au deuxième atome, qui n’est pas tunnelisé, il sert de référence pour mesurer le décalage horaire entre creuser des tunnels et ne pas creuser des tunnels. Les calculs des physiciens suggèrent que la particule tunnel apparaîtra un peu plus tard. «L’horloge creusée dans le tunnel est un peu plus ancienne que l’autre horloge», précise Patrick Schach. Cela semble contredire les expériences attribuant la vitesse de la lumière à l’effet tunnel.

Le défi de la mise en œuvre de l’expérience

En principe, le test pourrait être réalisé en utilisant la technologie actuelle, dit Schach, mais cela représente un énorme défi pour les expériences. En effet, la différence de temps à mesurer n’est que d’environ 10^-26 Secondes – un temps très court. Le physicien explique qu’il est utile d’utiliser des nuages ​​d’atomes comme horloges au lieu d’atomes individuels. Il est également possible d’amplifier l’effet, par exemple en augmentant artificiellement les fréquences d’horloge.

« Nous discutons actuellement de cette idée avec nos collègues expérimentateurs et nous sommes en contact avec nos partenaires du projet », ajoute Gizzi. Il est très probable que l’équipe décide bientôt de mener cette expérience passionnante.

Référence : « Théorie unifiée des temps de tunnel promue par les horloges Ramsey » par Patrick Schach et Eno Giese, 19 avril 2024, Avancement de la science.
est ce que je: 10.1126/sciadv.adl6078