6.6 Tunnel quantique

Accueil ／ Chapitre 6 : Domaine quantique (V5.05)

I. Phénomènes observables et difficultés d’intuition pour la théorie contemporaine

En laboratoire, on voit des situations qui ressemblent à « traverser un mur » :

• Désintégration alpha : certains noyaux émettent spontanément une particule alpha (α). D’un point de vue classique, la barrière coulombienne paraît trop élevée pour l’énergie disponible, et pourtant des échappements se produisent.
• Microscope à effet tunnel (STM) : entre une pointe métallique très fine et l’échantillon, un interstice sous-nanométrique demeure sous vide. Le courant décroît à peu près exponentiellement quand l’écart augmente, sans toutefois s’annuler.
• Effet Josephson : deux supraconducteurs séparés par un isolant ultramince peuvent porter un courant continu à tension nulle ; sous une faible tension continue, on observe un signal alternatif à la fréquence de Josephson.
• Diode à résonance et structures à double barrière : la courbe courant–tension présente une résistance différentielle négative et des pics étroits, signe que certaines énergies franchissent beaucoup plus facilement.
• Émission de champ (émission froide) : un champ externe intense amincit et abaisse la barrière de surface, permettant aux électrons de s’échapper vers le vide.
• Analogie optique : en réflexion totale frustrée, deux prismes très proches laissent passer une faible énergie via le champ évanescent à travers la zone « interdite ».

Ces observations posent plusieurs défis d’intuition :

• Énergie insuffisante : comment franchir ? Si l’on imagine la barrière comme un mur lisse, rigide et immobile, l’intuition échoue.
• Sensibilité extrême à l’épaisseur et à la hauteur (quasi exponentielle) : un léger épaississement ou rehaussement réduit brutalement la probabilité de passage.
• Quel est le « temps de tunnel » ? Est-il « superluminal » ? Certaines mesures de phase ou de délai de groupe saturent avec l’épaisseur (effet Hartman) et peuvent être mal interprétées.
• Pourquoi des couches ajoutées donnent-elles des « voies rapides résonantes » ? À des énergies spécifiques, des structures multicouches favorisent le transit.

II. Lecture selon la théorie des fils d’énergie (EFT) : la barrière n’est pas un mur rigide, mais une bande de tension qui « respire »

(Principe cohérent avec la Section 4.7 sur les « pores » des trous noirs : une frontière à forte tension n’est pas un joint étanche permanent.)

1. À quoi ressemble réellement la barrière : dynamique, granuleuse, en bande
2. Dans la théorie des fils d’énergie (EFT), la « barrière » n’est pas une face géométriquement parfaite et rigide. C’est une bande où la tension (Tension) et l’impédance sont élevées, sans cesse remodelée par des micro-processus :

• échanges entre fils d’énergie (Energy Threads) et mer d’énergie (Energy Sea),
• micro-reconnexions éphémères qui réécrivent puis referment des connexions,
• martèlement par des excitations instables au voisinage,
• fluctuations locales de gradient de tension (Tension Gradient) induites par des champs externes et des impuretés.
• Vue de près, la bande « respire » comme un nid d’abeilles vivant : le plus souvent à haute impédance, mais ouvrant sporadiquement de micro-pores à faible impédance et de courte durée.

3. Pores momentanés : les canaux effectifs du tunnel
4. Le passage survient lorsqu’un corpuscule s’approche et qu’une chaîne de micro-pores s’ouvre, suffisamment profonde et connectée, dans sa direction d’avance. Descripteurs clés :

• taux d’ouverture : probabilité d’apparition par unité de surface et de temps,
• durée de vie : persistance d’une ouverture donnée,
• largeur angulaire : sélectivité directionnelle du canal,
• connectivité en profondeur : alignement des ouvertures à travers toute l’épaisseur (plus la bande est épaisse, plus l’alignement requis est exigeant).
• Lorsque ces facteurs coïncident, la particule emprunte un corridor de faible impédance. La plupart des tentatives échouent ; une faible fraction aboutit.

Analogie : imaginez un grand volet à lames très rapides. La plupart du temps, il est fermé. Mais, à un instant donné et le long d’une ligne étroite, les lames s’alignent et forment un passage. On ne « traverse » pas un mur plein ; on attrape l’instant où la fente s’aligne.

5. Pourquoi une sensibilité quasi exponentielle

• Épaississement : traverser exige un alignement en série des pores sur la profondeur. Chaque couche supplémentaire multiplie la contrainte de coïncidence → décroissance approximativement exponentielle de la probabilité de succès.
• Rehaussement (tension plus élevée) : les pores deviennent plus rares, plus brefs et plus étroits en angle → taux d’ouverture effectif plus faible, barrière « plus haute ».

6. Résonance : un « guide d’onde » transitoire qui assemble les pores en autoroute
7. Des structures multicouches peuvent héberger une cavité à phase ajustée, équivalente à un guide d’onde transitoire à l’intérieur de la bande :

• la particule est d’abord capturée brièvement dans la cavité,
• elle attend l’ouverture suivante dans la bonne direction,
• la connectivité globale est amplifiée dans une fenêtre d’énergie étroite.
• On retrouve ainsi les pics aigus des diodes à résonance ; de même, l’accrochage de phase entre supraconducteurs stabilise la connectivité et sous-tend l’effet Josephson.

8. Temps de tunnel : distinguer « attendre l’ouverture » et « parcourir le corridor »

• Temps d’attente : délai côté amont pendant la recherche d’une chaîne de pores correctement alignée ; il domine la statistique des retards.
• Temps de transit : une fois aligné, le passage suit la limite locale autorisée par la tension et reste généralement court.
• Quand l’épaisseur augmente, l’attente s’allonge tandis que le transit ne croît pas linéairement ; de nombreuses mesures affichent donc un délai de groupe saturé. Ce n’est pas un mouvement superluminal, mais la combinaison d’une queue longue et d’un franchissement rapide.

9. Bilan d’énergie : rien n’est « gratuit »
10. Après le passage, l’énergie résulte du budget initial, d’un éventuel retour de la tension le long du corridor et d’échanges minimes avec l’environnement. L’apparente réussite avec « énergie insuffisante » n’a rien de magique : la barrière n’est pas une face rigide ; ses micro-ouvertures autorisent de rares trajets à faible impédance sans escalader un sommet statique.

III. Dispositifs et configurations expérimentales

• Désintégration alpha : un amas alpha heurte périodiquement la frontière nucléaire. L’évasion survient quand une chaîne trans-profonde de pores s’aligne brièvement. Des bandes nucléaires hautes et épaisses rendent la demi-vie extrêmement sensible à la structure.
• Courant STM : l’entrefer sous vide forme une bande mince. Le courant suit le taux global d’apparition de chaînes de connectivité critiques. Chaque ångström ajouté revient à ajouter un étage de lames, d’où la décroissance quasi exponentielle.
• Effet Josephson : l’accrochage de phase des deux côtés stabilise une cavité-guide et élève le débit à l’état stationnaire même à tension nulle. Sous une faible tension continue, la phase relative dérive, produisant un signal alternatif.
• Émission de champ : un champ intense amincit et abaisse la bande de surface, ce qui augmente le taux d’ouverture et la connectivité ; les électrons « sortent » vers le vide.
• Réflexion totale frustrée : l’entrefer nanométrique entre prismes fournit des poignées de champ proche, équivalentes à une connectivité à courte portée dans l’entrefer ; la lumière traverse la région nominalement interdite via un corridor transitoire.

IV. Résumé en quatre points

• Le tunnel n’est pas un passage à travers un mur parfait : c’est la saisie d’une chaîne de pores momentanés au sein d’une bande de tension qui respire.
• La sensibilité exponentielle à l’épaisseur/hauteur vient de probabilités multiplicatives d’alignements en série ; la résonance érige un guide d’onde transitoire qui amplifie la connectivité dans une fenêtre étroite.
• Le temps de tunnel se décompose en attente et transit : les délais saturés reflètent surtout l’attente, sans violer les limites locales de propagation.
• L’énergie se conserve : les passages « à basse énergie » existent parce que le « mur » s’ouvre brièvement, sans être brisé.

Une phrase de clôture : Le « mur » respire ; le tunnel quantique, c’est l’art de saisir l’instant où il s’ouvre.