Pour des atomes dans certaines conditions, plus le chemin est grand, moins il prendra de temps

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Israël | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
10 mai 2017

Le mouvement des atomes est extrêmement important pour comprendre des évènements essentiels qui vont du repliement des protéines aux réactions chimiques. Deux articles publiés par l’Institut Weizmann montrent que ces échanges peuvent être absolument contre-intuitifs : plus le mouvement est difficile à faire, plus le temps pour le réaliser sera faible.

D’un point de vue « classique », il semble normal que plus le chemin est tortueux et long, plus le temps pour le parcourir sera important. Nous avons l’habitude d’utiliser ce postulat pour calculer, par exemple, le temps que met une protéine pour se replier. Ce processus qui semble anodin est en fait d’une importance capitale pour tout système biologique. En effet, juste après sa production, une protéine n’est pas repliée, et c’est parfois sa forme qui détermine sa ou ses fonctions.

Cependant, ce principe « classique » vient d’être bousculé par le professeur Eli Pollack de l’Institut Weizmann qui, tentant de résoudre ces questions de temporalité en utilisant la mécanique quantique, a montré que, parfois, le chemin le plus difficile se parcourt le plus rapidement.

La mécanique quantique est un modèle physique utilisé pour décrire principalement les objets à l’échelle atomique et subatomique. Ce modèle peut présenter des propriétés extrêmement contre-intuitives qui font parfois le malheur de certain-e-s scientifiques. Mais les calculs sont cependant d’une précision drastique et, dans de nombreux cas, il est bien plus exact de décrire un système en utilisant la mécanique quantique plutôt que la mécanique classique.

En regardant la dynamique des atomes par mécanique quantique, nous offrons à notre système de plus amples possibilités. Et rien de tel qu’une métaphore pour mieux comprendre. Imaginez que vous êtes sur un flanc de la montagne et que vous souhaitez passer sur l’autre flanc. La mécanique dite classique vous invite à contourner la montagne ou à la gravir. Dans la mécanique quantique, vous avez une probabilité de traverser la montagne. La vitesse de cet évènement que l’on nomme « effet tunnel », reste un grand sujet d’âpres conversations dans la communauté scientifique.

Le professeur Pollack a réussi à calculer ce temps de passage [1], et a montré que, à basse température où l’effet tunnel est particulièrement intense, le temps moyen d’une particule pour passer au travers de la barrière peut être égal à zéro. Poursuivant ses calculs, il a également montré que plus les systèmes sont éloignés, moins le processus prendra de temps [2]. Enfin, outre ces résultats étonnants, il démontre que dans les systèmes qu’il a étudiés, il est possible d’identifier la position de la particule quantique avec une certitude quasi-exacte.

Le gant est jeté. Tant pour la théorie de la relativité, que pour le principe d’incertitude d’Heisenberg, et les prochains mois risquent d’être extrêmement agités dans la communauté scientifique pour s’assurer de l’exactitude de ces calculs.

Sources :
[1] Transition Path Time Distribution, Tunneling Times, Friction, and Uncertainty Eli Pollak Phys. Rev. Lett. 118, 070401 – Published 15 February 2017
[2] Quantum Tunneling : The Longer the Path, the Less Time it Takes J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8 (2), pp 352–356

Rédacteur : Samuel Cousin, post-doctorant à l’Institut Weizmann

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