« Comme à travers un tunnel invisible »

Il y a environ cent ans, les physiciens ont découvert pour la première fois que les plus petites particules, comme les atomes, se comportent complètement différemment de ce que nous connaissons dans notre monde quotidien. L’effet tunnel, qui permet aux particules de « passer » à travers des barrières réellement insurmontables, est l’un de ces phénomènes fondamentaux de la mécanique quantique. Une équipe de recherche a réussi à étudier expérimentalement l’influence de l’effet tunnel sur une réaction chimique spécifique. Dans une interview avec World of Physics, Roland Wester de l’Université d’Innsbruck parle du développement de cette expérience sur 15 ans.

Monde de la physique : Que se passe-t-il avec l’effet tunnel ?

Roland Wester : Pour faire simple, l’effet tunnel fait apparaître une particule quantique là où elle ne devrait pas se trouver selon les lois de la physique classique. Si, par exemple, vous souhaitez jouer avec la balle sur une petite colline au mini-golf, la balle a en fait besoin d’une certaine vitesse, sinon elle reculera sur le flanc de la colline. Cependant, selon la mécanique quantique, il serait toujours possible qu’une balle lente apparaisse soudainement de l’autre côté – comme si la balle avait traversé un tunnel invisible vers l’arrière. Cependant, l’effet tunnel ne joue aucun rôle dans la vie de tous les jours : une balle de tennis ne « traversera » jamais simplement le filet. Mais dans le contexte de la physique quantique, cet effet se produit à un niveau microscopique et peut également être calculé mathématiquement.

Pour quelles particules l’effet tunnel peut-il être observé ?

L’effet tunnel peut se produire dans des systèmes très différents. Il est utilisé dans la recherche, par exemple dans les microscopes à effet tunnel. Étant donné que les électrons peuvent « créer un tunnel » entre la surface et la pointe du microscope, les surfaces peuvent être balayées sans contact avec de tels microscopes. Dans notre expérience, nous avons examiné une réaction chimique particulièrement simple : la transition d’un atome d’hydrogène d’un atome d’hydrogène₂-molécule d’hydrogène en un ion deutérium chargé négativement. Le deutérium est un isotope de l’hydrogène. Cependant, son noyau atomique possède non seulement un proton – comme l’hydrogène ordinaire – mais également un neutron. C’est pourquoi le deutérium est également appelé « hydrogène lourd ».

Comment se déroule cette réaction ?

Au début, les atomes d’hydrogène sont sous forme liée, c’est-à-dire sous forme de H₂molécules, ainsi que des ions deutérium. Après la réaction, un atome d’hydrogène chargé négativement et une molécule composée de deutérium et d’hydrogène sont présents. Cependant, l’énergie des réactifs dans notre expérience est trop faible pour permettre une réaction chimique normale – la soi-disant barrière énergétique est trop élevée. Pour cette raison, une réaction ne se produit que dans de rares cas et uniquement lorsque l’atome d’hydrogène « tunnelise » dans l’ion deutérium lors d’une collision. Dans notre expérience, nous avons maintenant examiné la fréquence à laquelle la réaction se produit.

Comment votre expérience a-t-elle été mise en place pour cela ?

Le dispositif expérimental comprenait une source d’ions, un piège électromagnétique et des détecteurs d’ions. Tout d’abord, nous avons transporté environ 1 000 ions deutérium chargés négativement dans le piège, puis nous avons ajouté un gaz très froid composé de molécules d’hydrogène – avec des températures seulement d’environ 15 degrés au-dessus du zéro absolu. Le gaz doit être si froid pour que nous puissions mesurer l’effet tunnel. À des températures plus élevées, la barrière énergétique ne serait plus aussi élevée et les réactions chimiques normales prendraient immédiatement le relais, de sorte que l’on ne pourrait plus observer l’effet tunnel.

Et puis comment avez-vous mesuré l’effet tunnel ?

Nous avons enfermé les particules dans le piège à ions pendant environ 15 minutes, puis mesuré combien d’ions deutérium réagissaient avec l’hydrogène. La différence de masse entre le deutérium et l’hydrogène normal nous permet de déterminer expérimentalement si et à quelle fréquence la réaction a eu lieu. Nous avons constaté qu’environ dix ions deutérium sur 1 000, soit environ un pour cent, entraient dans la réaction chimique par effet tunnel. Pour ce faire, l’hydrogène devait parcourir une distance d’environ deux diamètres atomiques lors du tunneling.

Comment pouvez-vous être sûr que l’effet tunnel est réellement responsable de la réaction chimique ?

À des températures aussi basses, la réaction chimique que nous avons choisie sans effet tunnel est extrêmement improbable, c’est pourquoi seul l’effet tunnel peut expliquer la vitesse de réaction mesurée. Les mesures correspondent également très bien aux calculs théoriques que les chercheurs ont effectués il y a quelques années pour cette réaction chimique. C’était la première fois qu’une telle réaction tunnel avec plusieurs particules était calculée avec autant de précision à l’aide de la théorie quantique. Nous avons eu l’idée de l’expérience il y a environ 15 ans. Depuis lors, non seulement la technologie mais aussi la description théorique ont été continuellement affinées. Les calculs de mécanique quantique des réactions chimiques avec plusieurs particules sont extrêmement complexes.

Quelles autres conclusions peut-on tirer des mesures ?

Tout d’abord, nous sommes très heureux que cette expérience difficile ait fonctionné après tant d’années de préparation et de perfectionnement. Nous avons réussi à augmenter la sensibilité de détection par rapport aux tests précédents de plusieurs ordres de grandeur. Cela nous donne également l’assurance que les prédictions théoriques ont été si bien confirmées. Cela donne à toutes les personnes impliquées l’assurance que les méthodes fonctionnent bien. L’un des domaines possibles dans lesquels nos découvertes pourraient être importantes est l’astrophysique. Les gigantesques nuages ​​moléculaires galactiques ont souvent des températures très basses. L’effet tunnel pourrait y provoquer des réactions chimiques qui autrement n’auraient pas lieu du tout ou se dérouleraient beaucoup plus lentement. Mais il va falloir maintenant regarder tout cela de plus près.