L’effet Aharonov–Bohm: la sixième merveille du monde (quantique)

Shares

Imaginez la puissance d’un super ordinateur concentrée dans un appareil de la taille d’une montre. Science-fiction ou réalité ? Science-fiction aujourd’hui mais réalité demain grâce au développement de l’électronique quantique. Dans son numéro du 08 mai 2010, le magazine britannique New Scientist proposa la liste des sept merveilles du monde quantique. Dans cette liste figure en sixième position l’effet Aharonov–Bohm du nom des chercheurs Yakir Aharonov et David Bohm qui l’ont proposé en 1959.

Certaines des curiosités de cette liste sont largement connues du grand public, d’autres un peu moins. L’effet Aharonov-Bohm, quant à lui, s’observe en étudiant le comportement d’une particule chargée (un électron) dans un champ électromagnétique nul. Mais avant de décrire en détail ce phénomène, il peut être utile de faire quelques rappels sur la notion de « champ ».

Soyez informés en temps réel ! Suivez-nous sur...


La théorie physique des champs est née au dix-neuvième siècle, et fournit une meilleure description des interactions fondamentales que la théorie classique newtonienne qui repose sur la notion de force. Nous expérimentons tous les jours les effets des champs, à commencer par le champ gravitationnel qui nous permet d’avoir les pieds sur terre…. Nous connaissons bien également le champ magnétique terrestre qui nous permet de ne pas perdre le nord… Les champs ne sont pas directement visibles à nos yeux mais on peut observer leurs effets sur des objets. Par exemple, un aimant est la source d’un champ magnétique qui attire des objets métalliques et peut aussi attirer ou repousser d’autres aimants (en fonction de la polarité nord ou sud). Le champ gravitationnel est quant à lui créé par des objets « massiques » : plus la masse de l’objet est importante et plus le champ gravitationnel ainsi créé est puissant. De ce fait, le champ gravitationnel de la Lune est six fois moins puissant que celui de la Terre qui est lui-même moins puissant que celui du Soleil.

Dans la théorie physique des champs, les objets mathématiques représentant les champs sont décrits comme « dérivant » d’un potentiel (il s’agit quasiment de la même notion de dérivation vue au lycée pour les fonctions). Enoncé de façon simplifiée, on peut dire qu’un champ est la dérivée d’un potentiel. Les chercheurs ont longtemps cru que ces potentiels n’étaient qu’une construction mathématique abstraite utile à faire certains calculs mais qui n’avaient aucune existence physique.

Se basant sur des idées développées par Werner Ehrenberg et Raymond Siday en 1949, Yakir Aharonov et David Bohm propose en 1959 une expérience dans laquelle une particule se déplaçant dans un champ électromagnétique nul pourrait être influencée par les potentiels dont dérivent les champs magnétique et électrique correspondants. Nous présentons ici une description simplifiée de cette expérience.

Prenons un aimant ayant la forme d’un beignet (doughnut), et recouvrons la face intérieure d’une plaque métallique de telle sorte qu’il ne puisse y avoir de champ magnétique à l’intérieur de l’aimant. Faisons ensuite passer un électron à travers le trou. Comme il n’y a pas de champ magnétique à l’intérieur du trou, l’électron devrait donc le traverser sans subir de perturbation. Ceci serait vrai si le potentiel dont dérive le champ magnétique n’avait aucune influence sur l’électron. Or on observe justement une modification de l’électron (un changement de phase de l’objet mathématique correspondant à l’électron) au passage dans le trou comme s’il y avait quelque chose à l’intérieur du doughnut.

Cette expérience est fondamentale car elle montre que les champs électrique et magnétique seuls ne suffisent pas à décrire ce que nous observons. Les potentiels à l’origine de ces champs interagissent également avec les objets. Dans cette expérience, même si le champ magnétique n’est plus présent au passage de l’électron, le potentiel correspondant peut l’influencer. D’abord décrit théoriquement, l’effet Aharonov-Bohm a pu être observé expérimentalement en 1986 par Akira Tonomura et son équipe travaillant dans les laboratoires de Hitachi.

Bien que d’apparence très théorique, l’effet Aharonov-Bohm pourrait avoir de nombreuses applications, et notamment en nanotechnologie. En effet, les fabricants d’ordinateurs, téléphones portables, ou autres objets high-tech sont tous dans la course effrénée à la miniaturisation. Or c’est à des échelles très petites que les composants électroniques présentent des comportements quantiques qui ne peuvent être appréhendés par la physique classique. Il n’est donc pas impossible que les prochaines générations de supers calculateurs seront des ordinateurs quantiques qui exploiteront les capacités des potentiels électromagnétiques telles que décrit par Aharonov.

Yakir Aharonov en quelques mots : Yakir Aharonov, né en 1932 en Israël, obtient sa licence de physique au Technion Institute of Technology à H’aïfa en 1956. Il obtient ensuite son master, puis part faire son doctorat à l’université de Bristol sous la direction de David Bohm. C’est dans le cadre de son travail de thèse qu’il décrit l’effet quantique décrit dans cet article. En 1960, son doctorat obtenu, il rejoint Brandeis University aux USA pendant 2 ans. Il obtient ensuite un poste de professeur associé à la Yeshiva University de New York. A partir de 1967, il devient également professeur à l’Université de Tel Aviv en plus de ses responsabilités dans les universités nord américaines. Il obtient également un poste de professeur à University of South Carolina de 1973 à 2006, sera ensuite deux ans à George Mason University et rejoint en 2008 Chapman University.

Yakir Aharonov a reçu de très nombreux prix internationaux dont le prix Weizmann et le prix Rotschild en 1984, le très prestigieux prix Israël en 1989, la médaille Eliott Cresson du Franklin Institute en 1991, le prix Hewlett-Packard en 1995, le prix Wolf en 1998, le prix EMET en 2006 et la National Medal of Science remise par le Président B. Obama en 2010. Yakir Aharonov a déjà été pressenti pour obtenir un prix Nobel et il ne serait pas étonnant qu’il l’obtienne dans le futur.

Shares

RetweeTech

Rejoignez nos 2 896 abonnés et recevez nos derniers articles directement sur votre e-mail.