Combien de temps dure un instant ? La physique quantique a trouvé la réponse

Dans le monde quantique, le temps ne s'écoule pas toujours de la même manière : la matière décide de la durée réelle de chaque événement.

Le temps quantique n’est pas du tout une ligne continue et régulière, comme on l’imagine en regardant une horloge. Dans le monde infiniment petit des atomes et des électrons, le temps se comporte de manière irrégulière, fragmentée, presque « élastique ». Et aujourd’hui, grâce à de nouvelles recherches, nous savons enfin de quoi dépend la durée réelle d’un événement quantique.

Une étude menée par un groupe de physiciens deEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne a identifié une méthode révolutionnaire pour mesurer le temps qui s'écoule lors d'une transition quantique, sans utiliser d'horloges externes et sans interférer avec le phénomène observé. Une découverte qui change notre regard sur le temps.

Le temps quantique n'est pas instantané

Dans le monde quantique, certains processus se produisent à des vitesses difficiles à imaginer. Lorsqu’un électron absorbe de la lumière et passe à un état d’énergie plus élevé, l’événement peut durer aussi peu que quelques dizaines d’attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde. Pour vous donner une idée, en si peu de temps, même la lumière ne pourrait pas traverser la largeur d’un virus.

Pendant des années, on a pensé que ces étapes étaient pratiquement instantanées. En réalité, ce n’est pas le cas. Les scientifiques ont démontré que chaque transition quantique a une durée bien précise et que le temps quantique pris dépend de facteurs cachés, liés à la matière elle-même.

Mesurer des intervalles de temps aussi extrêmes a toujours été un énorme problème. En fait, tout instrument externe risque de modifier l’équilibre quantique très délicat. Et c’est précisément là que survient le tournant.

Mesurer le temps quantique sans horloges

Les chercheurs ont développé une technique capable de « lire » le temps directement à partir du processus quantique. Lorsqu’un électron absorbe un photon et sort d’un matériau, il transporte avec lui des informations codées dans son spin, une propriété qui décrit son état quantique.

En analysant l’évolution du spin au cours de la transition, il est possible de reconstituer le temps nécessaire à l’électron pour passer d’un état à un autre. Pas de chronomètre, pas de références externes : uniquement des signaux internes au système.

Le secret réside dans l’interférence quantique. Un électron, lorsqu’il est excité par la lumière, ne suit pas un seul chemin, mais plusieurs chemins simultanés qui interfèrent les uns avec les autres. Cette interférence laisse une sorte d’empreinte dans le spin de l’électron émis. En étudiant la façon dont cette signature varie à mesure que l’énergie change, les scientifiques parviennent à calculer la durée de l’événement.

Pour ce faire, ils ont utilisé une technique avancée, la spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle, qui leur permet d'analyser l'énergie, la direction et le spin des électrons expulsés d'un matériau frappé par la lumière synchrotron.

Parce que le temps quantique change d’un matériau à l’autre

La partie la plus surprenante de l’étude concerne le lien entre temps quantique et structure atomique. Les chercheurs ont comparé des matériaux très différents. Cuivre, avec une structure tridimensionnelle compacte. Composés en couches tels que le diséléniure et le ditellurure de titane, formés de feuilles superposées et faiblement liées. Et enfin le tellurure de cuivre, avec une structure encore plus simple, presque en chaîne.

Le résultat est clair : plus la structure atomique est simple et moins symétrique, plus la transition quantique ralentit. Dans le cuivre tridimensionnel, le processus prend environ 26 attosecondes. Dans les matériaux en couches, elle augmente entre 140 et 175 attosecondes. Dans le cas du tellurure de cuivre, elle dépasse même les 200 attosecondes.

Cela signifie que le temps quantique n’est pas une constante universelle. Elle est influencée par la géométrie de la matière, la disposition des atomes, la façon dont les électrons peuvent se déplacer et interagir.

Comprendre combien de temps dure réellement un événement quantique n’est pas seulement une curiosité théorique. Ces recherches permettent de clarifier si et quand nous pouvons considérer les processus quantiques comme « instantanés » et ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux avancés.

Connaître le temps quantique pourrait être essentiel au développement de technologies basées sur le contrôle précis des électrons, depuis les dispositifs quantiques du futur jusqu'aux nouveaux matériaux pour l'énergie et l'électronique. Une fois de plus, la physique nous rappelle que la réalité est bien plus complexe et fascinante qu’il n’y paraît à première vue.

Source : Newton