Un peu de physique...

L'effet tunnel

L’effet tunnel est un phénomène d’origine quantique qui permet à une particule de franchir une barrière de potentiel même lorsque son énergie est inférieure à la valeur de cette barrière. Avant d’expliques plus en détails ce qu’est l’effet tunnel, je vous propose de définir en quelques mots ce qu’est une barrière de potentiel.

Considérons la figure ci-dessous. Une bille lâchée en A sans vitesse initiale va rouler jusqu’en B puis elle va osciller entre ces deux points jusqu’à ce qu’elle finisse par se stabilise au fond de la cuvette du fait des frottements. L’énergie potentielle initiale de la bille est mgh1. Elle ne pourra jamais atteindre le point D car il lui faudrait d’abord passer par C. C’est impossible parce que :

Le point D est isolé des points A et B (et de tous les points à l’intérieur de la cuvette) par une barrière de potentiel.

Dans le monde quantique, rien n’est impossible… Une particule peut très bien jouer à saute-mouton par-dessus une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à la valeur de cette barrière ! Comment est-ce possible ?

En mécanique quantique, la position d’une particule n’est pas définie de manière univoque par ses trois coordonnées. La seule chose que l’on peut connaître, c’est la probabilité qu’elle se trouve en un point et cette probabilité est donnée par sa fonction d’onde, une fonction à valeur complexe qui s’étend sur tout l’espace. En présence d’une barrière de potentiel, cette fonction d’onde ne s’arrête pas net à la limite définie par cette barrière mais elle est très fortement atténuée (le plus souvent de manière exponentielle en fonction de la distance parcourue à l’intérieur de la barrière). La probabilité de présence de la particule de l’autre côté de la barrière peut donc ne pas être nulle il n’est pas impossible de la retrouver là alors qu’un instant auparavant elle se trouvait de l’autre côté.

C’est George Gamow qui a, le premier, développé l’idée de l’effet tunnel pour résoudre les énigmes posées par la radioactivité alpha. IL faudra cependant attendre 1958 pour que l’effet tunnel soit mis en évidence expérimentalement par Léo Esaki et Ivar Glaever.

L’effet tunnel intervient dans les réactions de fusion nucléaire (et notamment la fusion hydrogène-hélium). Il a également des applications industrielles comme le microscope à effet tunnel, certaines diodes, les mémoires MRAM ou les capteurs à effet Josephson.

 

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