Qu'est-ce que l'effet tunnel en physique quantique ?

L’effet tunnel est l’un des phénomènes qui distinguent le plus nettement la physique quantique de la physique classique. Lorsqu’une particule rencontre une barrière de potentiel dont la hauteur dépasse son énergie, elle ne devrait pas pouvoir la franchir selon la mécanique classique. Pourtant, à l’échelle quantique, une probabilité non nulle existe qu’elle soit détectée de l’autre côté. Ce résultat ne signifie pas que la particule accumule secrètement une énergie suffisante pour passer par-dessus la barrière : il découle de la nature ondulatoire des objets quantiques.

Le rôle de la fonction d’onde

En mécanique quantique, l’état d’une particule est décrit par une fonction d’onde. Celle-ci permet notamment de calculer la probabilité de la trouver dans une région donnée. Quand une onde quantique arrive devant une barrière de potentiel, elle ne s’interrompt pas nécessairement brutalement à la frontière. Si l’énergie de la particule est inférieure à la hauteur de la barrière, la fonction d’onde décroît à l’intérieur de celle-ci, mais elle peut rester différente de zéro. Si la barrière est suffisamment mince, une partie de cette fonction d’onde atteint l’autre côté : la particule possède alors une certaine probabilité d’y être détectée. Cette probabilité dépend notamment de la hauteur et de l’épaisseur de la barrière, ainsi que de la masse de la particule. Plus la barrière est épaisse ou élevée, plus la probabilité de traversée diminue généralement rapidement.

Un mécanisme essentiel de la radioactivité alpha

L’effet tunnel a joué un rôle important dans l’interprétation de la radioactivité alpha. Dans certains noyaux atomiques, une particule alpha est retenue par les forces nucléaires à courte portée et par la répulsion électrique exercée par le noyau. Classiquement, une particule alpha dont l’énergie est insuffisante ne pourrait pas franchir cette barrière coulombienne. La mécanique quantique permet toutefois de décrire une probabilité qu’elle la traverse : le noyau peut alors émettre une particule alpha. À la fin des années 1920, George Gamow, ainsi que Ronald Gurney et Edward Condon, ont proposé indépendamment une explication de ce type pour la désintégration alpha. Cet exemple a montré que l’effet tunnel n’était pas une simple possibilité mathématique, mais un processus ayant des conséquences observables.

Des applications dans les instruments et l’électronique

Le phénomène est exploité dans plusieurs technologies. Le microscope à effet tunnel utilise le courant produit par le passage d’électrons entre une pointe conductrice extrêmement proche de la surface d’un matériau et cette surface. Comme ce courant varie très fortement avec la distance, l’instrument peut fournir une cartographie détaillée de la surface et révéler la disposition d’atomes individuels. Mis au point au début des années 1980 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, il leur a valu, avec Ernst Ruska, le prix Nobel de physique de 1986. Les diodes tunnel constituent une autre application : dans un semi-conducteur fortement dopé, des électrons peuvent traverser une région de potentiel par effet tunnel. Ces composants présentent notamment une zone de résistance différentielle négative, propriété utilisée dans certains circuits électroniques à haute fréquence. L’effet tunnel intervient également dans le fonctionnement de dispositifs à jonction et dans plusieurs phénomènes étudiés en nanoélectronique.

Un phénomène quantique présent dans de nombreux domaines

L’effet tunnel ne se limite pas à un type particulier de particules. Il contribue à expliquer la fusion nucléaire au cœur des étoiles : les noyaux d’hydrogène peuvent traverser, avec une probabilité faible mais déterminante, la barrière de répulsion électrique qui les sépare. Il peut aussi influencer certaines réactions chimiques, en particulier lorsque le déplacement d’un proton ou d’un électron par tunnel modifie la vitesse de la réaction. En revanche, il ne faut pas le décrire comme un franchissement classique instantané ni invoquer le principe d’incertitude comme une autorisation pour « emprunter » de l’énergie à la barrière. La description correcte repose sur l’évolution de la fonction d’onde et sur une probabilité de transmission. Pour les objets macroscopiques, l’effet est généralement extrêmement faible, notamment parce que leur masse est beaucoup plus grande et que les interactions avec l’environnement détruisent rapidement les comportements quantiques observables.