VI. Effet tunnel
L’énergie est la quantité qui renseigne le mieux sur le devenir d’un objet. Elle permet de quantifier toute transformation. Par exemple un déplacement, une température qui augmente, un corps qui se transforme… Un corps qui a beaucoup d’énergie est capable de provoquer de grands changements. Une autre façon d’estimer l’énergie d’un objet est de regarder à quel point il est capable de modifier la trajectoire d’un autre objet.
L’énergie cinétique est liée à la vitesse et à la masse d’un objet. L’énergie potentielle procède de la gravité ou d’autres forces par exemple magnétique ou électrique.
Si une particule a assez d’énergie elle peut franchir une barrière sans difficulté. Si elle n’a pas assez d’énergie, une partie de la fonction d’onde quantique parvient à traverser la barrière et une autre partie rebondit. Cela ne signifie pas que la particule se sépare en deux mais que si on la mesure, elle se manifestera, tantôt à gauche, tantôt à droite. Les probabilités associées se calculent grâce à l’équation de Schrödinger. La chance qu’a l’onde de traverser la paroi dépend de la barrière, de l’énergie et de la masse de la particule. Si une particule quantique est légère et se déplace rapidement, elle peut traverser un obstacle a priori infranchissable. C’est l’effet tunnel, comme si un trou s’ouvrait soudainement dans la barrière pour laisser passer la particule.
En 1958 Léo Esaki fait circuler des électrons dans une plaque de métal coupée en son milieu par une couche d’isolant de 1 nm pour barrer la route aux électrons. Des électrons traversent l’isolant. Il s’agit bien de l’effet tunnel puisqu’en augmentant l’épaisseur d’isolant, le courant chute exponentiellement, comme le prévoit la théorie. L’expérience vaut le prix Nobel à Esaki en 1973.
L’effet tunnel avait été deviné en 1927 et utilisé pour décrypter des molécules et pour interpréter la façon dont un métal chauffé émet des électrons.
L’effet tunnel explique la radioactivité alpha. Le noyau de l’uranium 238 émet spontanément des particules alpha, sorte de petits noyaux identiques à celui de l’hélium. L’émission des particules alpha semble survenir aléatoirement. Par ailleurs, les particules alpha ne devraient pas pouvoir s’échapper du noyau de l’uranium, car des forces nucléaires bien trop importantes les y retiennent. L’équation de Schrödinger montre que les particules alpha s’échappent du noyau par effet tunnel.
L’effet tunnel vient de la nature ondulatoire des particules. Lorsqu’une onde lumineuse est envoyée vers une paroi comme un miroir, elle s’y réfléchit. Si l’on regarde avec soin, ce qui se passe à l’endroit du rebond au niveau de la surface du miroir, on constate que l’onde ne repart pas entièrement en sens inverse. Une toute petite partie parvient à se glisser dans l’épaisseur du miroir où elle s’évanouit, presque aussitôt, exponentiellement. Ce petit résidu s’appelle une onde évanescente. L’effet est très faible : une onde lumineuse s’enfonce au plus de quelques centaines de nanomètres dans la surface réfléchie. Dans l’effet tunnel, c’est la même chose : la fonction d’onde quantique, quand elle arrive sur la barrière, est réfléchie, mais une petite partie s’enfonce quand même dans l’épaisseur de la barrière. Si la barrière est très large, l’onde évanescente ne parvient pas à la traverser et elle s’évanouit. On observe alors que toute l’onde est réfléchie comme par un miroir. Mais si la barrière est assez fine, une petite partie de l’onde réussit à déboucher de l’autre côté, même si elle est fortement diminuée. Comme si un tunnel s’était ouvert à elle.
C’est grâce a l’ effet tunnel que le Soleil brille. Dans son cœur, la température gigantesque, une quinzaine de millions de degrés, donne aux protons l’énergie nécessaire pour s’assembler. Ils forment alors des atomes d’hélium par une fusion qui dégage elle-même une formidable quantité d’énergie. C’est l’effet tunnel qui permet aux protons de passer la barrière électrique, qui devrait les repousser du fait de leur charge positive identique, pour pouvoir fusionner.
Les smartphones et les ordinateurs utilisent des centaines de millions de transistors dans leur microprocesseur. Ces composants électroniques sont formés de fines couches isolantes et semi-conductrices pour contrôler le courant qui circule. Les dernières générations de transistors mesurent seulement quelques dizaines de nanomètres. À cette échelle, les effets tunnels commencent à être possibles. Les isolants commencent à fuir, puisque les électrons peuvent désormais passer à travers. Les transistors sont victimes de leur petite taille et ne peuvent plus fonctionner correctement. Il s’agit d’un véritable verrou technologique. Les ingénieurs cherchent de nouvelles façons de concevoir les microprocesseurs pour s’en affranchir.
Léo Esaki a utilisé l’effet tunnel pour créer de nouveaux types de diodes. Il a été utilisé pour qu’on concevoir les mémoires flash des clés USB ou des smartphones.
Il est utilisé dans le microscope à effet tunnel, premier outil à avoir été capable d’observer directement les atomes. Son principe repose sur une pointe métallique, qu’on approche délicatement de la surface d’un métal. Une tension électrique alimente la pointe et attire les électrons du métal. Normalement, ils ne devrait pas s’échapper du solide : le vide qui les sépare de la pointe agit comme une barrière. Cependant, si la pointe est placée suffisamment près de la surface, les électrons franchissent cette barrière par effet tunnel. La probabilité pour un électron de sauter vers la pointe est très faible et s’évanouit exponentielle quand la pointe s’écarte du métal. C’est donc seulement quand la pointe est exactement au-dessus d’un atome et à moins de quelques nanomètres de hauteur qu’elle parvient à arracher ses électrons. Entre deux atomes, en revanche, elle n’est plus opérante. Voilà comment il est possible de repérer la position des atomes à la surface de la matière.
Une fois un atome repéré, il est possible de le déplacer en lui envoyant une tension adaptée, sorte de colle électrique qui le soulève et le repositionne ailleurs. C’est ainsi qu’on conçoit de nos jours, des motifs nanométriques, sur-mesure, à l’atome près.
Pour démontrer la puissance du microscope à effet tunnel, le CNRS a organisé, en 2017 à Toulouse, une course de voitures nanométriques : Nanocar Race à Toulouse en 2017