La mécanique quantique

Publié le 15 mai 2019


Dernière mise à jour : 03 juin 2022
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 ?
A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique révolutionne notre conception du monde : les physiciens réalisent que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien macroscopique, devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. En effet, les atomes et les particules élémentaires de la matière, n’évoluent pas comme un système classique, où les quantités d’énergie échangées peuvent prendre n'importe quelle valeur. Pour un système quantique, l’énergie s’échange par 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 confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.

Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l'ensemble de ses composants – il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné, il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu'une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d'états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l'absorption d'un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que si l'on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.
De ces découvertes, qui forment la première révolution quantique, découlent un certain nombre d’applications encore utilisées aujourd’hui : les lasers, les circuits intégrés ou encore les transistors, à la base du fonctionnement des appareils électroniques notamment.

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 ?
Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :
*         L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.
*         La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.
*         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, à l'origine des propriétés magnétiques de la matière.

 
*         Télécharger le poster "Le microscope à effet tunnel"
Des physiciens cherchent à exploiter la richesse des états quantiques et à maîtriser leur mesure dans la perspective encore lointaine d’un ordinateur quantique.


Depuis le début des années 1980, la physique quantique a pris un nouveau tournant : c’est la deuxième révolution quantique, qui se poursuit encore aujourd’hui. En 1982, le physicien Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer la réalité du principe d’intrication quantique, concept fondamental de la physique quantique. Par ce phénomène, proposé dans le courant des années 1930 par Erwin Schrödinger et Albert Einstein, les particules constituant un système sont liés, et le restent quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, pour une paire de photons, une mesure faite sur l’un modifiera instantanément l'état du second, même s'ils sont séparés d'une longue distance (le record de distance pour l'observation de l'intrication de deux photons a été atteint en 2020 dans le domaine de la cryptographie quantique : des physiciens chinois ont pu échanger un message secret sur 1 120 km). Cette propriété pourrait avoir des applications importantes dans le domaine de l’information quantique : cryptographie, téléportation de l'information ou encore l’ordinateur quantique.


Et le champ d’application de la physique quantique va bien au-delà : le formalisme de la mécanique quantique est 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).


Trois exemples d'application de la mécanique quantique
*         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.
*         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.

   DOCUMENT      cea       LIEN
 

Quel est l’impact du boson de Higgs sur notre quotidien ?


Le boson de Higgs a un impact, et un impact continu, sur notre quotidien, par des voies que vous ne soupçonnez peut-être pas. (Image :  niallkennedy, CC BY-NC 2.0)
Il peut sembler à première vue que le boson de Higgs n'a aucune incidence sur notre vie quotidienne. Pas directement, en tout cas : c’est une particule à courte durée de vie, elle n’est pas l’un des constituants de la matière dont nous sommes faits et qui nous entoure, et elle ne peut être observée que dans les conditions extrêmes créées dans les accélérateurs de particules.
Pourtant, elle est importante, parce qu’elle nous permet de mieux comprendre le monde, et aussi, parce que les recherches liées à sa découverte ont eu, et continueront d'avoir, des retombées positives sur la société.

La nature de la science
La curiosité est dans notre nature. Et notamment, la curiosité envers notre Univers : nous nous demandons comment il a évolué pour devenir ce qu'il est aujourd'hui. L'objectif de la physique fondamentale est de trouver des réponses à ces questions.
Le boson de Higgs est une partie de la réponse à la question : pourquoi avons-nous une masse, comme toute la matière qui nous entoure ? Le boson de Higgs est le pivot du Modèle standard. À l'instar d'une pièce de puzzle, il éveille notre curiosité tout en créant une image plus précise de l'Univers qui nous entoure.

Il est dans la nature humaine de faire preuve de curiosité à l’égard de notre Univers et de la façon dont il a évolué. (Image : NASA et Agence spatiale européenne)
Depuis les débuts de l'humanité, c’est la curiosité qui fait avancer la science. Chaque nouvelle découverte s'est appuyée sur ce que l'on savait auparavant, ce qui a permis de faire progresser continuellement notre compréhension de l'Univers.
L'application de ces connaissances scientifiques à différents domaines a révolutionné notre quotidien. Par exemple, quand, en 1897, J.J. Thomson découvre l'électron, la première particule fondamentale découverte de façon expérimentale. Dans un monde dominé par la technologie, il est difficile d'imaginer la vie sans la possibilité d'agir sur les électrons. Chaque jour, nous utilisons l'électronique dans des domaines aussi variés que l'industrie, la communication, le divertissement, les transports ou encore la médecine, et pour toutes sortes d’activités. Bien sûr, lors de sa découverte, Thomson ne savait pas à quel point l'électron allait révolutionner la société. Plus d'un siècle plus tard, le monde a bien changé.
En raison de la nature de la science, nous ne savons pas à quel point les découvertes faites aujourd'hui transformeront notre avenir. En d'autres termes, ce n'est peut-être qu'une question de temps avant que le boson de Higgs ait un impact direct sur la société.

Avantages des nouvelles technologies pour la société

La recherche du boson de Higgs à l'aide du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a repoussé les limites de la technologie. Il a fallu des énergies extrêmement élevées pour accélérer les particules à une vitesse proche de celle de la lumière, une précision sans précédent pour détecter avec exactitude les collisions de ces faisceaux de particules, et une technologie informatique sans égale pour cartographier et enregistrer les millions de collisions de particules produites par seconde.
On peut dire que le boson de Higgs a indirectement affecté notre quotidien, puisque bon nombre des technologies développées pour le découvrir sont maintenant utilisées dans le monde entier, dans des domaines qui vont bien au-delà de la physique des particules.

Par exemple, l'invention du World Wide Web au CERN est née du besoin des physiciens des particules d'échanger des données entre instituts. Aujourd'hui, la société dépend chaque jour du World Wide Web pour communiquer et travailler. De même, au début des années 1970, des ingénieurs du CERN ont contribué au progrès de la technologie des écrans tactiles en essayant de créer une interface simple à utiliser avec l'un des accélérateurs de particules du CERN. Depuis, les écrans tactiles sont devenus un élément essentiel de la vie de tous les jours.

La technologie des accélérateurs utilisée pour la recherche du boson de Higgs est également utilisée pour traiter le cancer, dans le cadre de l'hadronthérapie et de la radiothérapie par électrons. (Image : CNAO)
Le domaine médical aussi a bénéficié de la recherche en physique des particules. En effet, la technologie des accélérateurs est utilisée dans le traitement du cancer, par exemple pour l’hadronthérapie et la radiothérapie par électrons. En outre, les détecteurs de particules sont employés pour les diagnostics médicaux, par exemple à l’aide du scanner couleur 3D à rayons X, reposant sur une technologie développée au CERN. Les accélérateurs de particules ont également permis le développement de la tomographie par émission de positons (TEP), qui est essentielle pour l'imagerie et le diagnostic des maladies du cerveau et du cœur.
Les technologies des détecteurs ont aussi contribué à faire progresser le secteur aérospatial, et même les techniques utilisées au-delà de notre planète. Les environnements extrêmes de l'espace sont très comparables à ceux que l'on trouve dans les expériences souterraines de physique des particules. Ainsi, des technologies telles que celles utilisées pour la surveillance des rayonnements peuvent être appliquées dans l'espace pour protéger les équipements et assurer la sécurité des astronautes.

La technologie des détecteurs qui a permis de découvrir le boson de Higgs a également fait progresser le secteur aérospatial, en améliorant la recherche sur les environnements extrêmes. (Image : IGLUNA)
L'infrastructure informatique du CERN est également utilisée pour protéger notre planète, par exemple pour la surveillance de la pollution atmosphérique. Par ailleurs, le CERN s'est engagé à utiliser ses technologies et son savoir-faire pour œuvrer en faveur d'un avenir plus durable.
Au-delà de la science et de la technologie, les détecteurs de particules servent même à protéger notre patrimoine culturel ; ils ont notamment permis de révéler une œuvre d'art longtemps perdue du grand peintre de la Renaissance, Raphaël.
Et il existe bien d'autres applications encore : même si l'objectif premier des accélérateurs de particules tels que le LHC est de rechercher des particules comme le boson de Higgs, les travaux menés aboutissent souvent à de nouvelles technologies. Toutes ces technologies, dans différents domaines, sont des contributions précieuses pour la société. Ce mouvement ne fera que se développer au fur et à mesure des progrès de la recherche.

  DOCUMENT     c e r n      LIEN

Les propriétés des lasers


Pour remplir leur mission, les lasers changent de couleur, de puissance, émettent en continu ou par impulsions…

Publié le 30 juin 2015


LA COULEUR D'UN LASER
Elle est définie par le choix du milieu laser. Il existe des lasers de toutes les couleurs : rouge, bleu, vert… Certains d’entre eux sont même constitués de lumière invisible comme les ondes infrarouges ou ultraviolettes. Ces multiples couleurs font la beauté de nombreux spectacles son et lumière. La plupart des lasers ne peuvent émettre que sur une seule longueur d’onde. L’utilisation de cristaux possédant des propriétés optiques non linéaires permet de convertir la longueur d’onde d’un laser pour obtenir des faisceaux de longueur d’onde doublée ou triplée. Il existe de plus des lasers dont on peut faire varier continument la longueur d’onde sur une certaine plage. On dit qu’ils sont accordables. Leur milieu laser a longtemps été un liquide contenant des molécules de colorant qui, une fois excitées, ont la particularité d’émettre sur un grand intervalle de longueurs d’onde. Maintenant, ils tendent à être remplacés par les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) et les diodes laser accordables, présentant l’avantage d’éviter l’utilisation de solvants. Les diodes laser sont les sources les plus couramment utilisées actuellement. Leur rendement énergétique élevé et leur fabrication peu coûteuse ont permis leur industrialisation massive.


Réglage d’un laser à solide pompé par diodes de forte puissance, utilisé pour générer la lumière extrême UV (13,4 nm) pour des applications de photolithographie. © P.Stroppa /CEA


 
Mise en place de composants optiques d’un laser sur la Plate-forme Laser Femtoseconde Accordable (PLFA). © PF.Grosjean/CEA


 
Inspection d’un miroir en verre servant au transport des faisceaux lasers du laser Mégajoule (LMJ), et analyse des impacts ou défauts constatés.
© H.Raguet/Science&Avenir/CEA
LA PUISSANCE D'UN LASER
La puissance se définit classiquement comme la quantité d’énergie émise par unité de temps. Un laser délivrant un joule pendant une seconde aura une puissance d’un watt. Dans le cas des lasers continus, l’étendue des puissances de sortie va classiquement de 1 mW pour des petites diodes laser, à 50 kW pour les lasers de soudage.
Dans le cas de lasers impulsionnels, il faut distinguer :
*         la puissance moyenne délivrée, qui tient compte des intervalles de temps entre chaque impulsion,
*         la puissance de crête, qui est la puissance atteinte lors d’une l’impulsion.

Ainsi, un laser d’un watt délivrant sa lumière de façon continue aura une  puissance d’un watt ; mais s’il concentre une énergie d’un joule en une décharge lumineuse d’une milliseconde, sa puissance de crête va être multipliée par mille et atteindra un kilowatt.
En délivrant leur énergie sur des temps très courts (nanoseconde voire picoseconde ou même femtoseconde), certains lasers d’étude peuvent atteindre des puissances de crête extrêmement élevées (jusqu’à 10 petawatts).
Plus modeste, un laser industriel dédié au soudage, de puissance moyenne de 1 kW, dispose d’une puissance de crête de 25 kW.

L’INTENSITÉ D'UN LASER
L’intensité, c’est la puissance par unité de surface, qui s’exprime en nombre de watts par centimètre carré (W/cm2). Par exemple, l’intensité du Soleil peut atteindre 0,1 W/cm2. En focalisant cette lumière avec une loupe, celle-ci est portée à 100 W/cm2, ce qui suffit pour enflammer une feuille de papier. Le diamètre des faisceaux de lumière émis par les lasers (plusieurs dizaines de mm pour les lasers industriels) est souvent trop grand et leur intensité trop faible pour une utilisation directe efficace. Il faut focaliser les faisceaux pour augmenter leur intensité. Dans certains lasers, la focalisation est obtenue par des systèmes optiques à lentilles. D’autres utilisent des dispositifs à miroirs, plus rarement des montages à réseau de diffraction focalisant.
Un laser de 20 W focalisé sur quelques micromètres produit une intensité de l’ordre du milliard de W/cm2. Avec un laser impulsionnel de quelques mJ, on atteint très facilement les centaines de milliards de W/cm2. La focalisation est alors obtenue par des systèmes optiques plus ou moins complexes, constitués de lentilles et de miroirs, qui sont adaptés aux longueurs d’onde et aux fortes énergies utilisées. La focalisation est, par exemple, indispensable pour les opérations industrielles de perçage, soudage et découpage. Elle est aussi utile pour les lasers de puissance utilisés par les chercheurs pour étudier l’interaction lumière-matière.

LA COHÉRENCE D'UN LASER
La cohérence du laser regroupe les propriétés d’uni-directionnalité et de monophasage. C’est elle qui permet à la lumière laser de pouvoir être fortement concentrée, dans le temps et dans l’espace ; elle est souvent à la base des applications des lasers. Cette propriété va permettre le transfert et le transport d’informations comme pour la lecture des disques optiques ou les liaisons Internet, par faisceaux laser dans des fibres optiques. Les ondes lumineuses qui composent la lumière laser se propagent toutes dans la même direction, de manière parfaitement rectiligne.
Un faisceau laser est très peu divergent, ce qui le rend visible sur de grandes distances. Cette propriété est utilisée pour l’alignement des tracés de routes et de tunnels comme, par exemple, lors de la construction du tunnel sous la Manche ou de la tour Montparnasse. Les lasers servent aussi dans la télémétrie, c’est-à-dire la mesure de distances. Le faisceau laser atteint une cible, qui en renvoie une partie en sens inverse. La vitesse de la lumière étant connue, il est possible, en mesurant le temps mis par le faisceau laser pour faire l’aller-retour, de connaître la distance séparant la source laser d’un obstacle. Cette méthode a permis le calcul précis de la distance Terre-Lune. La diffusion par les poussières et les aérosols de l’atmosphère rend visible ce rayon lumineux jusque loin dans l’espace et en fait l’outil des spectacles laser.

  DOCUMENT      cea       LIEN

Tout s'explique : que contiennent nos smartphones ?


Toujours plus de performances et de possibilités ? Les métaux sont au cœur des dispositifs numériques, à commencer par les incontournables smartphones. L'ajout de fonctionnalités augmente le nombre de composants et de métaux. Certains d'entre eux sont considérés comme critiques. Explications.

PUBLIÉ LE 27 JUILLET 2021
       
L’évolution de l’électronique obéit à deux tendances : toujours plus petit et toujours plus diversifié !
Or, l’ajout de nouvelles fonctionnalités multiplie le nombre de composants et de métaux requis.
Explications en vidéo :

Smartphone, une mine urbaine
Plus de 60 matériaux, sur les 103 éléments du tableau périodique de Mendeleïev, entrent dans la composition d’un smartphone. Parmi eux, une grande majorité sont identifiés comme « critiques » par l’Union européenne et comme « stratégiques » par la France car elles n’en maîtrisent pas la production.


Téléchargez l'infographie sur les matériaux critiques dans un smartphone

Matériaux critiques - matériaux stratégiques
Un matériau est dit critique quand la difficulté de son approvisionnement, sujet à des aléas, peut entraîner des impacts industriels ou économiques négatifs important. La Commission européenne en dresse tous les trois ans depuis 2011 une liste qui en compte aujourd’hui 45.
Un matériau est dit stratégique lorsqu’il est indispensable à la politique économique, énergétique et à la Défense d’un pays. Le Comité pour les matériaux stratégiques (Comes) de la France en ajoute 13 à la liste européenne.

SOUVERAINETÉ MINÉRALE
« La pénurie actuelle de semi-conducteurs illustre la dépendance de l’Europe à des fournisseurs étrangers. Aujourd’hui, c’est en Asie que sont conçus et fabriqués les processeurs, composants maîtres. Certes, l’Europe et la France disposent encore de compétences, par exemple sur les caméras (STMicroelectronics) ou les substrats des parties radiofréquence (Soitec). Il y a un fort enjeu de souveraineté technologique et industrielle »,
indique Thomas Ernst, directeur scientifique du CEA-Leti, institut à l’origine des premiers accéléromètres, micro-capteurs permettant à l’affichage de l’écran de s’adapter à sa position  horizontale ou verticale.

Se pose dès lors la question de la souveraineté minérale, tant les désormais très nombreux métaux utilisés sont produits hors d’Europe. Une situation de « criticité » que les scientifiques du CEA-Leti cherchent à pallier en substituant certains métaux par d’autres, ou en récupérant le maximum d’entre eux lors des différents procédés de microélectronique.

Et le recyclage ?
Les chercheurs y travaillent ! Mais, de l’avis de la directrice de recherche au CEA-Leti Léa di Cioccio :

« Ces métaux sont extraits des composants sous une forme oxydée qui complique leur réutilisation pour la microélectronique. Par ailleurs, les composants sont tellement miniaturisés, intégrés et les métaux mélangés que leur récupération reste marginale ».
Des marges de manœuvre existent, avec des actions prolongeant la durée de vie des dispositifs en évitant par exemple que les nouveaux logiciels soient incompatibles avec les versions antérieures.
Nombre de matériaux dans les téléphones

± 12 dans un téléphone fixe en 1950
± 30 dans un gros téléphone portable en 1990
± 60 dans un smartphone en 2010
Autres alternatives : la réparabilité des smartphones ou la deuxième vie des composants pour d’autres applications. Mais ces derniers doivent pouvoir être facilement extraits, ce qui suppose une connectique plus grosse se répercutant sur la taille du smartphone. Des entreprises européennes comme FairPhone ou Puzzle Phone se sont lancées dans cette aventure, sans grand succès commercial. Avant que cela ne devienne bientôt la nouvelle tendance !

Plusieurs tours du monde pour fabriquer un smartphone

Plusieurs tours du monde pour fabriquer un smartphone © J.Perrodeau / Défis du CEA


*         Conception : le plus souvent aux États-Unis.

*         Extraction et conditionnement des matériaux : par exemple, en part de la production mondiale* : Chine (86 % des terres rares lourdes et légères, 89 % du magnésium, 80 % du bismuth, gallium et germanium), Afrique du Sud (93 % du ruthénium, 80 % du rhodium, 71 % du platine), Congo (59 % du tantale et 64 % du cobalt), États‑Unis (88 % du béryllium), Brésil (92 % du niobium), Chili (44 % du lithium), France (49 % du hafnium).

*         Fabrication des composants : en Asie, aux États-Unis et en Europe.
*         Assemblage : en Asie.

*         Distribution : dans le monde entier.

  DOCUMENT     cea         LIEN