Porte quantique : comment la foule réécrit les règles de l'effet tunnel ✛

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L'effet tunnel quantique — la capacité des particules à franchir des barrières interdites par la physique classique — alimente les étoiles par fusion nucléaire, allume la nucléosynthèse primordiale et nous offre la mémoire flash. Mais lorsque ce n'est pas une particule isolée mais tout un amas qui s'infiltre à travers une barrière, leur comportement évoque une foule tentant de se faufiler par une arche étroite : les interactions entre elles changent radicalement la donne. Longtemps, on s'est demandé comment les forces interparticulaires renormalisent la loi d'échelle fondamentale de l'effet tunnel, qui relie la « perméabilité » critique de la barrière à la température.

Des physiciens de l'Université de Pékin et de l'Université de Genève ont transformé un condensat de Bose-Einstein d'atomes de rubidium-87 en simulateur quantique, en le piégeant dans un réseau optique formé par des faisceaux laser croisés (optique quantique). En modifiant la polarisation, ils ont réarrangé la géométrie du réseau bidimensionnel, passant d'une structure hexagonale à triangulaire, et en variant l'intensité, ils ont contrôlé le couplage tunnel entre les nœuds — l'analogue de la largeur de la porte. Pour détecter le point critique où l'effet tunnel s'arrête, les chercheurs ont mesuré la fraction d'atomes restés à impulsion nulle après expansion balistique (mesure quantique). En suivant ainsi la foule de particules à différentes températures et forces d'interaction, ils ont cartographié une loi de puissance universelle.

Les résultats de la simulation numérique par la méthode de Monte Carlo quantique ont confirmé que la courbe Jc ∝ T^α avec α non entier décrit une large classe de systèmes unidimensionnels. L'exposant α a pu être exprimé en fonction du paramètre de Luttinger K, qui dépend de l'interaction sans dimension γ : α = (4K−1)/(2K). Pour les interactions faibles (K ≫ 1), on obtient α ≈ 2, et avec l'augmentation de l'interaction, l'exposant diminue lentement jusqu'à ce que, dans la limite de couplage très fort, l'effet tunnel devienne uniparticulaire et α tende vers 1. Ce croisement entre danse collective et percée individuelle a été observé pour la première fois en laboratoire.

Cette découverte promet une avancée dans la compréhension de la supraconductivité à haute température et dans la conception d'ordinateurs quantiques, où le contrôle de l'effet tunnel des paires de Cooper ou des qubits est crucial. De plus, l'universalité de l'échelle suggère que de telles lois pourraient s'appliquer aux supraconducteurs organiques et même à des systèmes astrophysiques. Ces travaux jettent les bases d'une « ingénierie des foules tunnel » — la possibilité d'ajuster le passage de l'information quantique à travers des milieux complexes, faisant un pas de plus vers des dispositifs pratiques d'information quantique.