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Un effet tunnel atomique observé en temps réel pour la première fois

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L'effet tunnel est un des phénomènes les plus emblématiques de la mécanique quantique. Sans lui, le Soleil ne brillerait pas, et s'il devait se manifester à notre échelle, il nous permettrait de passer à travers les murs. Bien que présent dans beaucoup de phénomènes, à l'échelle atomique et peut être même lors de la « naissance » de notre Univers, on n'avait jamais pu l'observer en action directement. C'est ce qu'une équipe de chercheurs Allemands est parvenue à faire à l'aide d'un rayon laser.

Rappelons rapidement ce qu'est l'effet tunnel. Si l'on représente par un diagramme l'énergie potentielle d'une particule, comme un électron lié dans un atome ou une particule alpha dans un noyau, celle-ci apparaît comme une colline s'élevant puis diminuant de hauteur en fonction de la distance séparant la particule de son centre d'attraction dans le système considéré.

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.

L'effet tunnel en mécanique quantique (Crédits : Max Planck Institute for Quantum Optics).

C'est donc cet effet qui est étudié dans un système atomique avec des impulsions laser.

Une impulsion laser consiste en un paquet d'oscillations électriques. L'intensité du champ électrique dans ce paquet peut être suffisante pour arracher un électron lié à son atome. Normalement, dans une description classique du phénomène, dans le cas d'un champ dont la force résultante sur un électron est insuffisante pour ioniser l'atome, rien ne se produit. Maintenant, dans le cas quantique, si la force est juste légèrement insuffisante, alors l'effet tunnel lui permet d'avoir une probabilité non négligeable de s'échapper de l'atome ! Et ce, même si théoriquement l'électron ne possède pas suffisamment d'énergie pour échapper à l'attraction électrostatique de son noyau. Le problème était que, jusqu'à maintenant, ce processus était si rapide qu'on ne pouvait seulement observer que le résultat final de l'ionisation de l'atome, et aucune étape intermédiaire.

Ferenc Krausz et ses collègues du Max-Planck Institut für Quantenoptik ont pourtant réussi à le faire avec des atomes de néon soumis à deux impulsions lasers de longueurs d'ondes différentes

Les atomes sont excités pour être presque ionisés par une première impulsion laser de longueur d'onde courte, dans l'UV, produite par un laser infra-rouge à l 'aide d'un dispositif optique non-linéaire. En jouant avec une précision de l'ordre du milliardième de milliardième de seconde sur le temps séparant le trajet des deux impulsions laser dans le gaz formé d'atomes de néon, il est possible de déterminer tous les détails du processus d'ionisation avec un effet tunnel. En particulier, l'augmentation par paliers de la probabilité de transition par cet effet à chaque pic de l'onde électrique de l'impulsion laser ionisante a pu être observée. Les mesures ont fourni un bon accord avec les prédictions numériques.

(Crédits : Max Planck Institute for Quantum Optics).

La technique d'effet tunnel induit par laser peut d'ailleurs maintenant être utilisée pour de futures observations détaillées du mouvement des électrons dans des systèmes aussi variés que ceux utilisés en microélectroniques dans le domaine des THz ou même en biologie. On devrait pouvoir avoir, grâce à eux, une compréhension plus fine des processus qui y sont à l'œuvre. Des applications en imagerie médicale et en radiothérapie sont même envisagées.