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Par effet tunnel quantique, le son peut se propager dans le vide !

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C'est encore une manifestation de la magie quantique que viennent de mettre en évidence des chercheurs de l'Air Force Research Laboratory, dans l'Ohio. L'équivalent de l'effet tunnel qui fait briller notre Soleil est capable d'assurer le transfert de l'énergie sonique... à travers le vide !

Un schéma montrant la molécule de CO à la pointe du microscope à effet tunnel au-dessus de la plaque en or. Tout se passe comme si une sorte de reflet de la molécule se trouvait dans la plaque en or et vibrait en transférant de la chaleur. © Igor Altfeder

Dans le monde de la mécanique quantique, tout devient possible ou presque et ce qui n'est pas interdit devient obligatoire. L'un des phénomènes les plus emblématiques de la physique quantique, outre celui de la non-localité de l'effet EPR que montre l'expérience d'Alain Aspect, est certainement l'effet tunnel.

Si cet effet tunnel pouvait se manifester à notre échelle, il serait parfois possible de survivre à un accident de voiture, car lors d'une collision, les deux véhicules pourraient passer l'un à travers l'autre, comme si de rien n'était.

On pourrait croire que ce phénomène nous concerne peu et qu'il est une simple curiosité de laboratoire, ne se manifestant qu'à l'échelle des atomes. Et pourtant, sans lui, la vie sur Terre serait tout bonnement impossible, car c'est lui qui intervient de façon importante dans les réactions thermonucléaires faisant briller le Soleil !

L'effet tunnel a tout d'abord été découvert théoriquement par Georges Gamow en 1928. Il s'est servi de la toute jeune mécanique ondulatoire de Schrödinger pour montrer qu'une particule alpha ne pouvait pas rester confinée dans un noyau mais avait une chance non négligeable de s'en échapper. Ses calculs permirent d'expliquer quantitativement plusieurs aspects de la radioactivité alpha.

Le physicien Georges Gamow. © AIP Emilio Segre Visual Archives

Mais pourquoi parle-t-on d’effet tunnel ?

Rappelons tout d'abord que d'après l'équation de Schrödinger, on peut associer une densité de probabilité de présence pour une particule et que cette densité se comporte comme une onde dans l'espace et le temps. Mais certains aspects associés classiquement à une particule persistent dans la description quantique d'une particule à l'intérieur d'un champ de force. Ainsi, on peut voir une particule alpha piégée par les forces nucléaires fortes dans un noyau comme une sorte de boule pouvant dévaler les pentes d'une cuvette. Si elle possède suffisamment d'énergie cinétique, elle peut remonter une des pentes et même passer de l'autre côté, comme le montre le schéma ci-dessous.

Si elle ne possède pas suffisamment d'énergie cinétique, elle reste piégée dans la cuvette. Mais en théorie quantique, les choses sont différentes. L'onde de probabilité de présence associée à la particule ne reste pas confinée dans la cuvette et s'étend au-delà. La boule peut donc se retrouver de l'autre côté de la cuvette, comme si elle avait emprunté un tunnel !

Le schéma montre une cuvette d'énergie potentielle Ep en fonction de la distance x. Elle peut représenter l'énergie d'une boule roulant sur les flancs d'une montagne avec une topographie similaire. Classiquement, si la boule roule d'une hauteur supérieure à celle de la paroi finale de la cuvette, elle en sortira. C'est la situation du schéma du haut. Dans le schéma du milieu, la boule débute son mouvement un peu en dessous et restera donc piégée. En bas, la physique quantique autorise parfois son passage, comme si un tunnel existait. © CNRS/Sagascience - Éric Vanneste

Il se trouve que dans le cas des noyaux chargés positivement dans le Soleil, la répulsion électrostatique domine à moyenne distance. Mais elle cède à courte distance devant la force nucléaire forte. On peut faire intervenir une énergie potentielle d'interaction entre les noyaux ayant justement la forme d'une cuvette. Classiquement, si l'énergie cinétique associée aux mouvements moyens des noyaux dans le plasma chaud du Soleil est plus faible que l'énergie potentielle précédente à une certaine distance, on se trouve dans la situation d'une boule qui ne peut remonter une pente.

Des particules de son

De fait, le Soleil est trop froid pour que les noyaux se rapprochent suffisamment en surmontant la répulsion électrostatique. Mais avec l'effet tunnel tout change et les réactions de fusion deviennent possibles à relativement basses températures, c'est-à-dire environ 10 millions de degrés, dans le cœur du Soleil.

On sait que la chaleur est plus généralement associée aux mouvements désordonnés des particules. C'est le cas dans un solide cristallin comme dans un gaz, mais dans le cas d'un solide, les particules oscillent frénétiquement autour de leur position d'équilibre. Il existe aussi des mouvements collectifs associés à ces particules : les ondes sonores.

Or, toujours d'après les lois de la mécanique quantique, les ondes sonores dans un solide doivent posséder un aspect corpusculaire et transporter de l'énergie, y compris de la chaleur, sous forme de quanta d'énergie. Ce sont plus précisément des quasi-particules que l'on appelle des phonons acoustiques. D'autres quasi-particules peuvent aussi servir à transporter la chaleur, par exemple des magnons.

C'est à une combinaison surprenante mais au fond parfaitement prévisible de ces conséquences de la mécanique quantique, effet tunnel et phonons, qu'ont été confrontés Igor Altfeder et ses collègues.

Les physiciens observaient la surface d'une plaque d'or avec un microscope à effet tunnel lorsqu'ils ont découvert qu'une molécule de CO à la pointe de l'aiguille en alliage d'iridium et de platine du microscope était le lieu d'un incroyable transfert de chaleur.

La plaque et l'aiguille étaient séparées par 0,3 nanomètre et les mesures se faisaient sous vide. Alors que l'aiguille était à température ambiante, la plaque d'or était refroidie à des températures assez basses : 90, 150 ou 210 kelvins. Les calculs ont alors montré que si ce transfert de chaleur était sous forme de rayonnement, il aurait dû être plus de 1010 fois plus faible.

Le seul autre mode de transfert de chaleur possible, celui par conduction, semblait de prime abord impossible puisque des phonons acoustiques ne devaient pas pouvoir se propager dans la vide. Mais c'est là qu'intervient précisément l'effet tunnel, qui explique finalement cet étonnant paradoxe : le transfert d'énergie sonique à travers le vide !

Pour les chercheurs, ce nouveau phénomène pourrait avoir d'intéressantes applications pour des dispositifs thermoélectriques équipant des futurs circuits électroniques de tailles nanométriques.