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La mécanique quantique

Publié le 27 août 2015

​Qu'est-ce que la mécanique quantique ? Pourquoi est-elle utilisée ? A quoi sert-elle ? Où la retrouve-t-on dans notre quotidien ? Petite introduction au monde quantique.

Qu’est-ce que
la mécanique quantique ?

La physique classique décrit parfaitement notre environnement quotidien, mais devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. Les scientifiques doivent alors utiliser la mécanique « quantique » pour laquelle les quantités de matière ou d’énergie échangées ne peuvent plus prendre n’importe quelles valeurs mais seulement des valeurs discrètes ou « quanta ».
Par ailleurs, la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique ne les distingue plus. Pour elle, un photon, un électron ou même un atome sont à la fois une onde et un corpuscule.
Une onde-corpuscule peut se trouver dans une superposition d'états qui est une sorte de potentialité de tous ses états possibles. Un objet quantique peut ainsi avoir des probabilités différentes d’être ici ou là et on ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que lorsqu’on effectue une mesure. Le processus de mesure impose à l’onde-corpuscule un état bien défini.




Le Chat de Schrödinger

Le physicien Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat « quantique », enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.



À quoi sert
la mécanique quantique
aujourd’hui ?

Plus concrètement, la mécanique quantique est un formalisme mathématique qui peut être utilisé par les chercheurs en nanosciences (chimie, optique, électronique, magnétisme, physique de l’état condensé) et par les physiciens des lois fondamentales de l’Univers (particules, noyau atomique, cosmologie).

Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :

  • L’effet laser repose sur une population d’atomes portés dans un même état excité et qui se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. La transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.

  • La supraconductivité voit des électrons de même charge électrique s’apparier alors que deux charges électriques de même signe devraient se repousser.

  • L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique.

  • Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique qui est déjà exploitée dans les têtes de lecture des disques durs des ordinateurs.

Des physiciens cherchent à exploiter la richesse des états quantiques et à maîtriser leur mesure dans la perspective encore lointaine d’un ordinateur quantique.


La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel, dont l'effet tunnel est un bon exemple

La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel,
dont l'effet tunnel est un bon exemple. © Yuvanoé/CEA





Et demain,
la mécanique quantique ?

Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la mécanique quantique :

  • l’interaction forte qui lie les composants du noyau entre eux,
  • l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité,
  • l’électromagnétisme qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques.

La quatrième interaction, la gravitation, est expliquée par la relativité. Jusqu’à présent, dans les domaines d’énergie et d’espace que l’homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « quantifier » la gravitation.
De nombreux physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.

Mécanique quantique et relativité

En mécanique quantique, matière et énergie sont de même nature mais temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace constituent une seule grandeur – l’espace temps - tandis que matière et énergie sont différenciées.






Equation de Schrödinger en mécanique quantique
Equation de Schrödinger en mécanique quantique. © D.Sarraute/CEA


Appareil de mesure du rendement quantique de cellules solaires
Appareil de mesure du rendement quantique de cellules solaires. © P.Avavian/CEA





AnimationEmettre la lumière grain à grain : échange quantique d’énergieAfficher en plein écran



Trois exemples
d'application


Les diodes électroluminescentes (DEL)

La physique quantique permet de comprendre comment les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique. L’animation ci-dessous illustre l’utilisation des DEL dans le quotidien et leur fonctionnement physique.

Le microscope à effet tunnel

L’effet tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d'une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre pointe et surface, un courant tunnel s'établit. Lors d'un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l'enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution atomique.


Les orbitales atomiques

Les électrons entourent les noyaux des atomes. La mécanique quantique décrit le nuage électronique sous la forme d'orbitales dont la forme reflète la probabilité de présence de chaque électron dans l'espace. Cette description sous forme d'orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les atomes se rassemblent pour constituer molécules ou solides.




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