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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que l’effet tunnel ?

Qu’est-ce que l’effet tunnel ?

mardi 25 février 2014, par Robert Paris

Qu’est-ce que l’effet tunnel ?

C’est un phénomène qui se produit couramment au niveau des particules et jamais au niveau macroscopique (niveau supérieur à un petit nombre d’atomes). Il est inexplicable en physique classique et très bien compris en physique quantique. On peut imager la situation de manière simple : un objet usuel (à notre échelle) qui se trouve dans un creux ne pourra pas remonter la pente spontanément pour parvenir à un autre creux. S’il est au fond d’un puits, il y restera à moins qu’on mette de l’énergie pour en sortir. En physique, cette situation s’appelle un puits de potentiel, qu’il s’agisse d’un potentiel lié au champ de gravitation ou à un autre champ. Eh bien, les particules parviennent sans cesse à sortir des puits de potentiel ! C’est complètement en contradiction avec les lois de la physique classique.

Normalement, on ne peut pas passer d’une vallée à une autre vallée voisine sans passer par un sommet ou un col de la montagne qui les sépare, à moins de creuser un tunnel dans la montagne. C’est pourtant ce que parviennent à faire les particules de matière et tout objet quantique. C’est pour cela qu’on appelle cela un effet tunnel, comme si la particule avait creusé un tunnel pour sortir du puits de potentiel.

D’où est venue l’énergie donnée à la particule pour sortir du puits puisqu’on a laissé la particule sans intervenir ? Eh bien, c’est le vide quantique qui a prêté cette énergie dans un temps très court et qui l’a ensuite récupérée. Cela nécessite que le tunnel soit de courte longueur.

Comment la même particule a-t-elle pu se retrouver de l’autre côté de la « montagne » ?

En fait, ce que l’on appelle une particule de matière n’est pas tout le temps le même objet, du moins pas au sens où on l’entend au niveau macroscopique. Ce n’est même jamais le même corpuscule. La propriété « masse inerte » qui caractérise les particules de matière saute sans cesse d’une particule virtuelle du vide à une autre et dans l’effet tunnel, elle a sauté d’une particule virtuelle qui était avant le tunnel à une autre qui se situait après…

Au point que la quantique a renoncé aux ondes réelles pour accepter les "ondes de probabilité de présence" ! Dans la conception quantique de l’onde de probabilité, il y a une probabilité non nulle qu’une particule saute un puits alors qu’en physique classique cela serait impossible.

Le corpuscule n’a pas franchi le tunnel. C’est la dualité onde/corpuscule au niveau quantique qui permet de le comprendre. Dans l’effet tunnel, la particule franchit un puits de potentiel en tant qu’onde qu’elle ne pourrait pas franchir en tant que corpuscule. A chaque fois qu’un phénomène fait appel au niveau quantique (par exemple un phénomène concernant une seule particule), on trouve ces contradictions irréductibles. Le problème conceptuel se situe des deux côtés : celui du corpuscule et celui de l’onde. Il y a un indéterminisme fondamental dans le niveau quantique et il est difficilement interprétable en termes de corpuscules. Cet indéterminisme s’exprime sous forme de probabilité. Il y a un déterminisme dans les lois quantiques et cela est difficilement en termes d’ondes réelles.

Pourquoi le fait de pouvoir se comporter momentanément comme une onde permet de franchir le barrage ? Parce que les ondes (même les classiques) ont des possibilités de réaliser un effet tunnel ! Du coup, l’onde de Broglie d’une particule peut en faire autant…

On se souvient que le physicien De Broglie avait montré que les électrons pouvaient diffracter comme des ondes alors qu’on les considérait jusque là exclusivement comme des particules. A partir de son étude, on a été amenés à considérer qu’au niveau quantique la matière et la lumière se manifestent tous les deux comme des couples onde/particule que l’on ne peut scinder que sur des durées extrêmement courtes…

Quel est cet effet tunnel de la lumière ? Cela provient des propriétés de la lumière au passage entre deux milieux n’ayant pas le même indice de réfraction. A la transition entre les deux milieux, une partie de la lumière est réfléchie (elle reste dans le premier milieu) et l’autre est réfractée (elle passe dans le deuxième milieu). Comme en physique quantique, c’est un phénomène probabiliste et on ne peut pas dire ce que chaque photon individuel va faire… Une partie de la lumière est renvoyée par effet miroir de la transition et le reste traverse le miroir. Dans les ondes sonores, il en va de même : une partie des ondes sonores peut passer d’une pièce à une autre, au travers d’un mur alors qu’aucun objet macroscopique ne peut jouer le passe-muraille. Mais l’objet quantique est à la fois onde et corpuscule. S’il ne conserve que sa partie onde, il peut rejoindre une partie corpuscule de l’autre côté de la frontière !

Les milieux matériels sont transparents pour la lumière et n’ont donc pas de puits de potentiel à franchir. Quelle est donc la comparaison avec l’effet tunnel quantique ?

Eh bien, justement, on le compare à un effet tunnel lumineux dans un cas très particulier : celui où le passage entre deux milieux d’indices de réfraction différents mène à une réflexion totale : aucune lumière ne franchit la transition ! Eh bien, dans ce phénomène optique classique, il s’avère pourtant qu’une très petite fraction de la lumière franchit le miroir par effet tunnel… Cette lumière qui traverse le fait sur une très petite distance. C’est ce que l’on appelle « l’onde évanescente de Fresnel ». Elle franchit le miroir même si elle le fait très peu et pour une petite partie de la lumière.

La dualité onde/corpuscule signifie que tout objet quantique peu être capable faire ce que fait une onde aussi bien que ce que fait un corpuscule. Une toute petite partie des objets quantiques et sur une toute petite distance peuvent franchir les obstacles.

Classiquement, si on approche deux électrodes, il ne devrait pas y avoir d’électron qui en quitte une pour aller sur l’autre. Et pourtant, il y en quelques rares qui le font par effet tunnel…

Ils ne devraient pas le faire puisque les deux électrodes sont séparées par une couche isolante qui ne conduit pas bien les électrons. Cela signifie que l’électron a sauté la couche isolante !

Il convient de remarquer que ce phénomène dévoile le fait qu’une particule quantique ne se déplace pas au sens où nous nous déplaçons, où toute matière classique peut se déplacer. C’est un saut plutôt qu’un déplacement. D’ailleurs, toutes les particules quantiques sautent au lieu de se déplacer continûment, en passant par tous les points intermédiaires d’une trajectoire.

Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue retracent ainsi dans « L’objet quantique » ce changement radical : « L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s’élever progressivement au dessus de la Terre vers n’importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l’une à l’autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l’énergie lumineuse par paquets, par quanta, c’est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu’on appelle photons. »

Dans ce cas particulier de l’effet tunnel, le saut est encore plus évident puisqu’on a franchi une barrière sans pouvoir monter dessus. La discontinuité est indiscutable.

D’ailleurs la durée de la traversée poserait un problème insoluble à la physique, y compris quantique-relativiste, s’il s’agissait d’un déplacement mécanique d’un même objet. Il s’agit d’un saut de propriété de masse et pas d’un mouvement au sens classique.

En effet, ceux qui ont mesuré le temps du saut ont remarqué que la vitesse de déplacement, s’il s’agissait d’un déplacement, serait plus grande que la vitesse de la lumière ! C’est ce que l’on appelle l’effet Hartman.

Un photon ou un électron traversant par effet tunnel une barrière quantique peut manifester un délai de traversée plus court que celui mis par la lumière pour une distance équivalente, ce temps étant évalué par l’observation du sommet du paquet d’ondes correspondant, avant et après la barrière. Compte tenu de l’épaisseur de la barrière tunnel, le sommet du paquet d’onde est réduit, et semble être passé plus vite que la vitesse de la lumière. Ce phénomène est appelé effet Hartman (ou effet Hartman-Fletcher).

Ce n’est donc pas la même particule que l’on retrouve après le passage du… tunnel !

Mais ce sont les mêmes propriétés et la particule avant le tunnel a disparu, permettant au même type de particule d’apparaître à la sortie du tunnel.

Cet effet n’est pas une simple curiosité mais un point important dans de nombreuses méthodes scientifiques de mesure et dans l’explication de multiples phénomènes appelés effet Josephson, effet tunnel résonnant, largeur d’émission des atomes et bandes de transmittivité, jonction tunnel entre deux électrodes conductrices, microscope à effet tunnel (par passages tunnel d’électrons d’une pointe à une surface), diodes à effet tunnel, effet tunnel dans une molécule comme l’ammoniac NH3 qui possède un double puits, effet tunnel nucléaire (permettant à deux atomes de se rapprocher avant de fusionner, alors que cela n’est pas permis classiquement par la répulsion coulombienne), désintégration alpha (type de fission nucléaire dans laquelle un noyau atomique se scinde en deux et interprété comme un effet tunnel entre le puits de potentiel intranucléaire et l’extérieur de la barrière de potentiel coulombienne existant entre les deux noyaux finaux), diffusion des atomes d’un métal etc…

Cela ne signifie pas que cette traversée soit ce qui se passe le plus couramment. Au contraire, l’énorme majorité des particules de masse ne traversent pas la barrière de potentiel et seule un infime minorité le fait. Cependant, il est tout à fait possible de mesurer l’existence de telles traversées par exemple d’électrons, ce qui amène la formation de courants tunnel.

Comment la physique quantique permet-elle d’interpréter et même de calculer de tels phénomènes ?

Tout d’abord le fait de décrire la particule non comme un objet classique disposant à tout instant à la fois d’une position et d’une vitesse, décrivant une trajectoire continue mais comme un nuage de probabilité de présence signifie que la particule peut sauter d’un point du nuage à un autre.

Cependant, on peut se demander quelle réalité matérielle recouvre ce nuage de probabilité de présence ?

C’est là qu’il faut raisonner sur ce qui se passe au niveau du vide quantique et plus au niveau des structures du vide que sont les particules disposant d’une masse au repos (c’est-à-dire des particules du vide ayant reçu un boson de Higgs).

Le vide est un milieu matériel dont les particules (et antiparticules) ont une très courte durée de vie, ce qui leur permet se stocker une très grande énergie.

Jean-Paul Auffray, dans « L’atome » :

« Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d’énergie égale à la constante de Planck h multiplié par la fréquence µ du rayonnement considéré. Les choses de présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d’action (l’action a la dimension d’une énergie multipliée par un temps) auxquels ni l’une ni l’autre des deux contraintes citées ci-dessus (vitesse c et paquet d’énergie hµ) n’est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que hµ. Y a-t-il une chance concrète de pouvoir trancher entre les deux points de vue, en observant par exemple un quantum allant plus vite que la lumière et transportant une énergie plus grande que hµ ? Selon notre point de vue, lorsqu’un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l’autre côté du piège plus tôt que prévu il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sous le nom d’ « effet tunnel ». Au cours des années 90, plusieurs groupes de chercheurs (en particulier Anedio Ranfani à Florence, Günther Nimtz à Cologne et Raymond Chiao à Berkeley) l’ont étudié au moyen de techniques très sophistiquées. Ainsi l’équipe de Cologne a mesuré des vitesses cinq fois supérieures à c ! Le phénomène fascine … et embarrasse les physiciens : c’est qu’ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière ». Pour expliquer les vitesses supraluminiques, la mécanique quantique a recours à une représentation du photon qui en fait un « paquet d’ondes », véritable composite … d’éléments individuels ressemblant étrangement à nos quanta d’action ! En un mot, elle utilise de facto la représentation ci-dessus. Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d’un paquet d’ondes traversant un tunnel constitué dans ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu’en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la lumière », même s’il conclut également qu’ « on ne peut pas exploiter cet effet pour transférer de l’énergie à une vitesse moyenne supérieure à celle de la lumière. » A quoi cela tient-il ? Les calculs de Richard Feynman montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » au sens donné par les spécialistes). C’est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la même dans le vide. Mais cette restriction ne s’applique pas sur de courtes distances, à l’échelle interne de l’atome par exemple. »

L’effet tunnel dévoile les relations de la matière particulaire (monde quantique) et du vide quantique (monde virtuel).

Même si le virtuel n’est directement "visible" ou "sensible" pour nous et nos appareils d’observation, les expériences de toutes sortes sur les particules imposent son existence qui seule peut permettre de les expliquer.

La particule est "habillée" par son nuage virtuel constitué par la transformation à proximité de la particule du vide quantique qui l’entoure. Cela signifie que toutes les caractéristiques de la particule, comme la masse ou la charge, et toutes les expériences d’interaction de la particule ne peuvent s’interpréter si on considère le corpuscule "nu" sans nuage virtuel autour.

Virtuel signifie fugitif mais signifie aussi potentiel parce que la particule peut sauter d’un point de son nuage à un autre.

Quand la particule interfère avec elle-même comme dans l’expérience des fentes de Young, la seule interprétation possible est qu’elle a à la fois traversé les deux fentes. ce n’est pas le corpuscule mais le nuage qui traverse les deux et qui interfère avec lui-même en modifiant ainsi les probabilités de présence.

Quand la particule est à la fois onde et corpuscule, c’est-à-dire avant mesure ou observation, c’est parce qu’elle est un corpuscule habillé.

Quand il y a "réduction du paquet d’ondes", cela signifie que la disparition du corpuscule (mesure par un écran par exemple ou par un compteur de particules) entraîne instantanément celle du nuage.

Quand une charge "sent" la charge e de l’électron, c’est le produit de l’action de l’ensemble des charges virtuelles du nuage car il y a dans le nuage des particules et des antiparticules virtuelles chargées électriquement qui se positionnent en couches autour de la particule et "écrantent" celle-ci.

Quand deux particules de charges opposées ne tombent pas l’une sur l’autre, cela provient encore une fois de la dynamique que représente le corpuscule et son nuage.

Quand une particule passe dans un trou suffisamment petit, elle perd momentanément son nuage et du coup son orientation. C’est la diffraction.

Quand la particule passe dans un "tunnel", elle se déplace quasi instantanément car elle perd momentanément son nuage.

C’est son nuage qui freine la particule, définissant ainsi sa masse et sa vitesse.

etc etc....

Dans l’effet tunnel, le nuage de polarisation seul passe la barrière et il reconstitue sa dualité derrière la barrière grâce au vide quantique.

Film sur la microscopie tunnel

Film : effet tunnel quantique et microscope à effet tunnel

Film : jouer avec les atomes par effet tunnel

Film : effet tunnel et physique quantique

Extrait de « L’objet quantique » de Lochak, Diner et Fargue :

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Qu’est-ce que le virtuel

Particule et nuage de polarisation

Lectures sur matière et vide

Etienne Klein dans « Petit voyage dans le monde des quanta » :

« L’effet tunnel intervient dans tous les phénomènes mettant en jeu atomes, électrons, noyaux et autres particules. Par exemple, deux noyaux atomiques peuvent fusionner même si leur vitesse relative est inférieure à celle qui serait nécessaire pour vaincre la répulsion électrique qu’ils exercent l’un sur l’autre. Dans un tout autre domaine, celui de l’électronique, de nombreux dispositifs sont fondés sur la possibilité qu’a un électron de franchir par effet tunnel des zones interdites par la physique classique. On peut citer l’exemple du microscope à effet tunnel, qui fut inventé en 1981 : une pointe métallique mise sous tension survole à quelques dixièmes de nanomètre (dix puissance moins dix mètre) d’altitude la surface que l’on souhaite examiner. Par effet tunnel, des électrons peuvent passer de la pointe métallique à la surface, en traversant l’espace vide qui les sépare, même s’ils n’ont pas l’énergie requise selon les critères de la physique classique. Le taux d’électrons qui traversent est extrêmement sensible à la distance qui sépare la pointe de la surface, de sorte qu’en ajustant finement l’altitude de la pointe, de façon à garder constant le « courant tunnel », on parvient à cartographier le relief des surfaces de façon très précise. (…) Nous avons montré à propos du principe d’Heisenberg, que l’impulsion d’une particule n’est en général pas clairement définie. A cette dispersion de l’impulsion correspond une dispersion de l’énergie cinétique qui peut s’étendre au-delà de l’énergie potentielle de la barrière. Il existe donc une probabilité non nulle que la particule ait assez d’énergie pour passer par-dessus le sommet de la barrière. »

Microscope à effet tunnel

L’effet tunnel, un phénomène quantique

5 Messages de forum

  • Qu’est-ce que l’effet tunnel ? 24 février 2014 13:24

    En physique classique, si l’énergie cinétique d’une particule est inférieure à l’énergie potentielle de liaison, elle ne pourra pas s’échapper. Il n’en est pas de même dans le monde magique de la mécanique quantique où une particule, même avec une énergie cinétique insuffisante, peut s’échapper d’un système comme s’il existait un tunnel à travers la colline d’énergie potentielle faisant obstacle. C’est une conséquence directe de la nature probabiliste de l’onde associée à l’évolution d’une particule quantique.

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  • Qu’est-ce que l’effet tunnel ? 5 août 2015 09:10, par alain

    Peux-u résumer ce que signifie dire : l’effet tunnel est un phénomène quantique ?

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  • Qu’est-ce que l’effet tunnel ? 5 août 2015 09:12, par Robert Paris

    Cela signifie que, d’un point de vue classique, pour la matière à notre échelle, aucune matière ne peut franchir une barrière de potentiel. Par contre, une petite fraction de la matière des particules y parvient et cela provient d’une propriété quantique. En effet, les quanta sautent et, en l’occurrence, ils ne franchissent pas la barrière par un mouvement classique mais par un saut quantique !!!

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  • Qu’est-ce que l’effet tunnel ? 5 août 2015 11:50, par Robert Paris

    Donnons un exemple de déplacement « plus vite que la lumière » dans le cas de l’ « effet tunnel », cité d’après « L’atome » de Jean-Paul Auffray :

    « Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d’énergie égal à la constante de Planck h multiplié par la fréquence du rayon considéré. Les choses se présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d’action auxquels ni l’une ni l’autre des deux contraintes citées ci-dessus n’est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que h fois la fréquence… Selon notre point de vue, lorsqu’un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l’autre côté du piège plus tôt que prévu : il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sus le nom d’ »effet tunnel »…. Le phénomène fascine… et embarrasse les physiciens : c’est qu’ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière »…. Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d’un paquet d’ondes traversant un tunnel constitué dan ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu’en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la vitesse de la lumière »... Les calculs de Richard Feynmann montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » pour les spécialistes). C’est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la m^me dans le vide. »

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