Effet de tunnel quantique

Imaginez que vous ayez deux bols hémisphériques et vous laissez une balle rouler le long du côté de chacun d'eux, juste en dessous du bord du bol. Une balle se comporte classiquement, l'autre quantiquement (Figure 1). Si vous ignoriez la friction, la balle classique roulerait d'avant en arrière pour toujours et atteindrait la hauteur de départ à chaque fois. Cependant, vous ne sauriez jamais exactement quelle hauteur la balle quantique atteint car, selon Heisenberg, le chemin de cette balle doit rester incertain. Et à un moment donné, la balle quantique aura disparu du bol. Ceci est dû a l'effet de tunnel quantique. Le tunnel quantique est un effet quantique qui permet aux objets quantiques de surmonter des barrières bien qu'ils n'aient pas assez d'énergie pour le faire. Ce phénomène n'est pas possible en physique classique – mais possible en mécanique quantique. La ligne pointillée avec la flèche dans la Figure 1 indique qu'un jour ou l'autre, la balle quantique sautera par-dessus le bord du bol. Ce n'est pas tout à fait incorrect mais de véritables objets quantiques traversent – pénètrent à travers – la barrière et apparaissent de l'autre côté. C'est de là que vient le nom « effet de tunnel quantique». Il n'y a pas d'accord commun au sein de la communauté scientifique concernant le temps qu'un objet quantique met pour traverser une barrière. Des résultats récents suggèrent que ce processus est plus rapide que la vitesse de la lumière.

En utilisant l'effet tunnel quantique, les microscopes à effet tunnel peuvent créer une image des surfaces des matériaux avec une résolution atomique. Une pointe aigüe scanne la surface à une distance constante d'environ un nanomètre au-dessus. Une basse tension est appliquée entre la pointe et l'échantillon. Cela ne résulterait pas en un flux de courant si l'effet tunnel quantique ne se produisait pas. La distance entre la pointe et l’échantillon est ajustée de manière à maintenir un courant de tunnel constant entre eux. La position de hauteur auto-ajustable de la pointe sur chaque point de l'échantillon et l'emplacement des points de mesure sont combinés pour créer une image. Si la pointe est suffisamment fine, il est possible d'obtenir des images avec une résolution atomique. La figure 2 montre l'image d'une surface en graphite dans laquelle chaque monticule représente un atome de carbone.

Un type de spectroscopie infrarouge utilisé dans l'analyse chimique est la méthode ATR. RTA signifie “réflexion totale atténuée”. De nombreux solides et, en particulier, des échantillons aqueux absorbent la lumière infrarouge si fortement qu'il n'est possible de mesurer que par une couche d'échantillon extrêmement fine. Pour éviter les problèmes pratiques qui en résultent, la méthode ATR est utilisée à la place. La réflexion totale atténuée (ATR) peut être considérée comme un effet de tunnel quantique de la lumière. La lumière est complètement réfléchie sur une interface lorsque le faisceau frappe l'interface à un angle plat. Néanmoins, une petite portion de la lumière passe à travers l'interface – puis revient. Dans une configuration ATR, l'échantillon est de l'autre côté de l'interface. La profondeur de pénétration de la lumière dans l'échantillon est d'environ un quart de la longueur d'onde de la lumière. Si certains composants spectraux de la lumière pénétrante sont absorbés d'une manière sélective par les constituants de l'échantillon, une analyse spectroscopique est possible. Cela permet de déterminer la concentration des constituants dans l'échantillon, par exemple. Figure 3 montre une configuration pour une telle mesure avec une triple réflexion totale. Cette configuration est particulièrement adaptée à une utilisation directe dans un flux d'échantillons. La réflexion totale atténuée ou ATR est, avec la transmission, l'une des techniques d'échantillonnage les plus courantes en spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). 

Une application importante de la méthode ATR est la détermination du dioxyde de carbone dissous dans les boissons. Un bon taux de dioxyde de carbone dans les boissons est essentiel pour le goût et pour une qualité de produit constante. Les capteurs de CO₂ en ligne déterminent la teneur en dioxyde de carbone des boissons en utilisant la spectroscopie infrarouge ATR (Figure 4). Le cristal ATR est un saphir qui a la forme d'un cône avec la pointe coupée. Le capteur est monté directement dans le flux d'échantillon. Il mesure rapidement et avec précision et est sans entretien. De cette manière, l'effet de tunnel quantique aide à garantir que la qualité des boissons est assurée.