Le principe d’incertitude de Heisenberg interdit de connaître simultanément la position et la quantité de mouvement d’un électron. Des chercheurs allemands viennent de découvrir une limite analogue entre position et évolution temporelle — et de la mesurer directement pour la première fois grâce à des impulsions laser à l’échelle de l’attoseconde. L’étude est publiée dans Nature Photonics.

Ce que vous allez apprendre

• Ce qu’est une attoseconde — et pourquoi c’est l’échelle de temps à laquelle les électrons se déplacent
• Pourquoi vouloir préciser le moment exact d’un électron dans le temps élargit inévitablement sa distribution spatiale
• Quelles applications futures cette découverte ouvre, de l’électronique ultrarapide aux réactions chimiques déclenchées à volonté

Un principe d’incertitude que Heisenberg n’avait pas formulé

Le célèbre principe d’incertitude de Heisenberg stipule qu’on ne peut pas déterminer simultanément avec une précision arbitraire la position et la quantité de mouvement d’une particule — non par manque d’instruments, mais parce que la nature l’interdit fondamentalement. Entre la position et le temps, en revanche, ce principe n’avait jamais été formellement établi.

Des chercheurs du Centre de nanoscopie ultrarapide de Ratisbonne, en collaboration avec l’Institut Max Planck de Hambourg, viennent d’observer et de quantifier pour la première fois qu’il est également impossible de mesurer simultanément avec une précision arbitraire la position d’un électron et son évolution temporelle. Cette limite spatio-temporelle fondamentale de la mécanique quantique, soupçonnée mais jamais mesurée directement, est décrite dans Nature Photonics.

L’attoseconde : l’échelle de temps des électrons

Pour comprendre l’enjeu, il faut saisir les ordres de grandeur en jeu. Un atome est environ dix millions de fois plus petit qu’un millimètre. Une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde — ce qu’une seconde est à l’âge de l’univers. C’est à cette échelle que les électrons se déplacent, mille fois plus vite que les atomes et molécules.

Pour observer ces mouvements, l’équipe a développé un nouveau système laser générant des impulsions ultrabrèves. Ces impulsions contrôlent le mouvement d’électrons depuis une pointe métallique atomiquement fine vers une surface d’argent, sur une distance de quelques diamètres atomiques seulement. En faisant varier l’intervalle entre deux impulsions laser successives, les chercheurs peuvent observer directement la réaction des électrons — et mesurer le délai infime de 500 attosecondes avec lequel un électron suit le champ lumineux.

Crédit : Brad Baxley (parttowhole.com)

Représentation artistique d’un paquet d’ondes électroniques extrêmement court (en bleu) à la frontière entre l’espace et le temps.

Plus de précision temporelle, moins de précision spatiale

Le cœur de la découverte réside dans la relation entre résolution temporelle et distribution spatiale. Raffael Spachtholz, co-auteur de l’étude, l’énonce clairement : « Plus on souhaite déterminer avec précision la position de l’électron dans le temps, plus il faut fournir d’énergie. Et par conséquent, le paquet d’ondes de l’électron s’étend davantage dans l’espace. »

C’est le miroir temporel du principe d’incertitude de Heisenberg — une contrainte fondamentale sur la connaissance simultanée de la localisation spatiale et temporelle d’un électron quantique, et non une limite technologique.

Heureusement, malgré une forte excitation temporelle, les paquets d’ondes conservent une résolution spatiale suffisante pour permettre une microscopie à résolution atomique — ouvrant la voie à une caméra ultrarapide pour les comportements quantiques.

Des applications qui touchent à l’imagination humaine

Ces résultats ouvrent des perspectives considérables. Déclencher spécifiquement des réactions chimiques en transférant des électrons à l’échelle atomique dans le temps et l’espace, observer comment les liaisons chimiques se rompent ou se modifient en temps réel — ce sont les objectifs immédiats de l’équipe.

À plus long terme, une électronique fonctionnant à la vitesse intrinsèque du mouvement des électrons serait des centaines de milliers de fois plus rapide que la technologie CMOS actuelle. « Les applications potentielles sont aujourd’hui davantage limitées par l’imagination humaine que par la nature », concluent les responsables du projet.