Quel est le plus court temps jamais mesuré en physique quantique ?

En 2020, des scientifiques de l’université Goethe de Francfort ont mesuré un intervalle de 247 zeptosecondes, soit 247 millièmes de milliardième de milliardième de seconde. Ce résultat constitue le plus court temps jamais mesuré en physique quantique. Il correspond au temps nécessaire à un photon pour traverser une molécule de dihydrogène, ou H2, dans le cadre d’une expérience consacrée aux interactions entre la lumière et la matière.

Une durée de 247 zeptosecondes

La zeptoseconde est une unité de temps extrêmement brève : elle vaut 10^-21 seconde. Autrement dit, une seconde contient un milliard de milliards de zeptosecondes. Le résultat de l’expérience, 247 zeptosecondes, équivaut à 2,47 × 10^-19 seconde. Cette échelle est bien plus courte que l’attoseconde, qui vaut 10^-18 seconde. Il faut toutefois distinguer l’unité utilisée pour exprimer la mesure et le phénomène observé : la zeptoseconde n’est pas une nouvelle particule ni une durée minimale imposée à tous les phénomènes physiques, mais une unité adaptée à des intervalles particulièrement courts.

Le dihydrogène comme système d’étude

La molécule de dihydrogène est composée de deux atomes d’hydrogène liés entre eux. Elle contient donc deux protons et deux électrons. Sa structure très simple en fait un système particulièrement adapté à l’étude des interactions à l’échelle quantique. Dans l’expérience de 2020, les chercheurs ont étudié le temps de traversée d’un photon dans cette molécule. La mesure ne consiste pas à observer directement le photon pendant 247 zeptosecondes, comme on chronométrerait un objet à notre échelle : elle repose sur l’analyse des effets mesurables produits par l’interaction du photon avec la molécule.

Une mesure indirecte d’une durée inconcevable

À une telle échelle, aucun instrument classique ne peut suivre le déplacement du photon seconde après seconde. Les physiciens doivent donc concevoir une expérience dans laquelle la durée recherchée laisse une trace observable, puis relier cette trace au temps de traversée. La valeur de 247 zeptosecondes décrit ainsi un processus précis au sein de la molécule de H2. Elle ne signifie pas que tous les phénomènes quantiques se déroulent à cette vitesse, mais qu’un événement particulier a pu être caractérisé avec cette durée extrêmement courte.

Un record pour l’étude de la matière

Cette mesure a repoussé les limites expérimentales de l’observation des phénomènes ultrarapides. Elle montre qu’il est possible d’étudier la dynamique de la lumière et de la matière à des échelles temporelles bien inférieures à la seconde, et même à l’attoseconde. Le record de 247 zeptosecondes est donc important moins comme curiosité numérique que comme indication des capacités atteintes par la physique expérimentale. Il fournit un moyen d’examiner avec une grande finesse ce qui se produit lorsqu’un photon interagit avec une molécule aussi simple que le dihydrogène.