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

Rappelons rapidement ce qu'est l'effet tunneleffet tunnel. Si l'on représente par un diagramme l'énergie potentielleénergie potentielle d'une particule, comme un électronélectron lié dans un atomeatome 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 physiquephysique classique, si l'énergie cinétiqueénergie 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 quantiquemécanique 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.

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

Une impulsion laser consiste en un paquetpaquet d'oscillations électriques. L'intensité du champ électriquechamp 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 électrostatiqueélectrostatique 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'ionisationionisation 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 néonnéon soumis à deux impulsions lasers de longueurs d'ondeslongueurs d'ondes différentes

Les atomes sont excités pour être presque ionisés par une première impulsion laser de longueur d'onde courte, dans l'UVUV, 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 gazgaz 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 numériquesnumériques.

La technique d'effet tunnel induit par laser peut d'ailleurs maintenant être utilisée pour de futures observations détaillées du mouvementmouvement 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 applicationsapplications en imagerie médicale et en radiothérapieradiothérapie sont même envisagées.