Canon à électrons et double fente , expérience mécanique quantique dualité onde-corpuscule

[vadg]

Bonjour à tous,

Je me posais une question (mais ayant vraisemblablement très mal cherché ou ne savant pas où chercher la réponse dans des articles d’expériences plus récents) :
Prenons l'expérience des doubles franges avec le canon à électrons tirée de https://iopscience.iop.org/article/1...30/15/3/033018 (Controlled double-slit electron diffraction) d’après l'expérience de pensée de Feynman. Vidéo sur le sujet par ScienceEtonnante : https://www.youtube.com/watch?v=zPolTp0ddRg

Si on rajoute une double fente après le système de détection, j'aimerai savoir ce qu’on observerait sur l’écran ? (c’est-à-dire le canon -> une double fente avec le système de détection -> une autre double fente sans système de détection -> l’écran)

L'onde de probabilité s'effondre en se « matérialisant » en un point lors de la mesure. La particule (l’électron) a donc perdu son caractère quantique pendant la mesure du fait de l'interaction. Mais après, une fois la mesure effectuée, est-ce que la particule prend un nouveau caractère quantique ? Est-ce qu’une nouvelle onde de probabilité se forme ? Et est-ce que si cette onde se propage à nouveau à travers deux autres fentes (cette fois-ci sans mesure de détection) est-ce qu'on obtiendrait au bout de plusieurs tirs des franges d'interférences ?

Pour moi oui, car la première double fente jouerait exactement le même rôle que le canon à électron. Au début on sait très bien d’où sort l’électron, il sort du canon (donc on ne peut pas vraiment dire que l’électron est « quantique » vu que son onde de proba est effondrée en un point, la sortie du canon… si ?). Et ça revient au même de dire, après on sait très bien d’où sort l’électron, il sort de la fente de gauche (et cette fente de gauche deviendrait finalement le canon… non ?).

Du coup j’ai l’impression qu’il manque cette expérience dans les vulgarisations. On ne sait pas si la mesure à tué DEFINITIVEMENT le caractère quantique. Parce qu’au final dans l’expérience sans l’ajout de la seconde double fente, on ne sait pas bien si on a un caractère quantique après… Effectivement, vu qu'il n'y a pas d'autres fentes derrière, on verra toujours une figure de diffraction sans interférence même si la particule a retrouvé son caractère quantique (c’est-à-dire une particule avec une nouvelle onde de probabilité qui se propage mais sans interférer puisqu’il n’y a pas d’autres double fente).

Merci ^^
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[Deedee81]

Salut,

Bienvenue sur Futura.

Après la deuxième double vente, on aura aussi des interférences.

Note qu'après réduction (je préfère ce terme a "effondrement") la particule est toujours quantique. C'est juste que ça fonction d'onde devient un paquet d'ondes très concentré (comme pour les particules sortant du canon). Amha c'est plutôt ça qui ne serait pas clair dans certaines vulgarisation (je n'ai pas regardé la vidéo, manque de temps et pas de son sur mon pc ici )

[vadg]

Ah super merci beaucoup ! Effectivement je pense que toutes les vidéos sur le net induisent en erreur, et "montrent" que la réduction est définitive. C'est dommage qu'ils n'aient pas fait cette expérience, parce que soit je suis le seul à avoir été presque induit en erreur, soit une grande majorité l'ont été...

[Deedee81]

Salut,

Ah super merci beaucoup ! Effectivement je pense que toutes les vidéos sur le net induisent en erreur, et "montrent" que la réduction est définitive. C'est dommage qu'ils n'aient pas fait cette expérience, parce que soit je suis le seul à avoir été presque induit en erreur, soit une grande majorité l'ont été...

Ah oui, en effet. Voilà un truc dont je ne m'étais jamais rendu compte.
P.S. :
- en fait la réduction est définitive dans le sens irréversible : on ne revient pas en arrière, par contre l'état continue à évoluer comme n'importe quel état quantique et le paquet d'ondes réduit peut s'étaler, interférer, etc....
- il est possible d'adopter aussi des interprétations sans réduction. Ca évite ce soucis et c'est d'ailleurs probablement (ça reste des interprétations, donc non réfutable) plus près de la vérité.
Mais c'est souvent une jonglerie un peu compliquée et tout aussi déroutante (c'est inévitable, le monde microscopique a des comportements déroutant).
(le caractère irréversible vient de la décohérence quantique dans ce cas..... mais elle ne suffit pas à elle seule à expliquer la mesure d'états définis. C'est une des raisons qui rend ce type d'approche plus difficile : faut déjà une bonne maîtrise de la MQ).

[A voir en vidéo sur Futura]

[vadg]

Salut !

Justement en parlant de décohérence quantique ! Le temps de décohérence est à priori proportionnel à l’inverse du nombre d’atomes interagissant avec la particule. Il est possiblement de l’ordre de la femtoseconde dans cette expérience, vu qu’en laboratoire la décohérence d’une grosse molécule dans un vide de laboratoire mais avec rayonnement électromagnétique est de l’ordre de la dizaine d’attoseconde… donc le temps de décohérence est supposément beaucoup plus long pour un électron, et sans rayonnement électromagnétique (les conditions utilisées pour cette manip).

Mais quel est le temps pour lequel on pourrait reconsidérer que la particule est à nouveau délocalisée ?

Je pense que ce temps de retour à la cohérence quantique est bien plus court (de l’ordre de l’attoseconde) que celui de la décohérence dans cette expérience. J’ai essayé un petit calcul en reprenant les basiques… On a « plus ou moins localisé » la particule qui passe dans la fente de gauche, donc son onde de probabilité de présence est répartie sur la largeur de la fente qui est étroite et de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde (largeur notée « a »).
Du coup la particule étant localisée dans la largeur de la fente, on en perd sa direction. D’après l’incertitude d’Heisenberg, on a la relation de diffraction ∆x∆p≥ℏ/2⟹a∆k≥1/2⟹∆θ≥1/2ak=λ/4πa. On va dire ∆θ=2λ/a (relation habituelle avec le demi-angle de diffraction).
De plus je suppose que la particule devient délocalisée lorsque son onde de probabilité occupe un espace 10 fois plus grand que celle qu’elle occupait dans la fente. Donc vt∆θ≥10a avec v la vitesse de la fonction d’onde (propagation en une onde sphérique, et là on prend juste un arc de cercle, celui de la diffraction avant dont l'angle est ∆θ). Donc la particule est à nouveau délocalisée après un temps d’environ τ≥10a/v∆θ=(5a²)/λv (soit τ≥(5a²)/hm_e dans le cas d’un électron).
Si on suppose que la fente est de largeur a=2λ ce temps est d’environ (avec une vitesse de l’électron pris à 20% de la célérité de la lumière on a une longueur d’onde d’environ 10 pm) : τ≥20/f de l’ordre de l’attoseconde (10^-18 sec).
Ce n’est pas trop bizarre de se décohérer plus lentement (femtoseconde) que de se cohérer (attoseconde) ? car la décohérence dépend de l’interaction et la reprise de cohérence quantique (en l’absence totale d’interaction, vide total et sans rayonnement) dépend de la vitesse de propagation de son onde de proba (qui est supposément sphérique et qui remplit l’espace plus rapidement si on a initialement fortement localisé la particule (la fente « a » très étroite))...

Ca m'a amené à me poser une seconde question...
Ici on a un canon à électrons. Donc on « connait » un peu la direction que va avoir la particule, elle sera diffractée vers l’avant. Mais on ne connait pas toujours cette direction privilégiée : l’onde de probabilité de présence sera plutôt une onde sphérique 3D et pas juste un cône 2D comme dans notre cas de la diffraction. Donc maintenant, si on prend une autre expérience : on suppose qu’on a détecté l’électron autour de son noyau a un moment précis. J’aimerai à nouveau connaitre le temps qu’il mettrait pour être délocalisé autour de son noyau…
J’explique mon problème. L’onde de probabilité une fois réduite dans un espace de volume a³ (comme une fente volumique), comment se repropage t’elle pour remplir à nouveau toute son orbitale ? Est-ce qu’elle se repropagera à partir de son point d’origine de détection comme une onde sphérique (cas 1) ou est-ce qu’elle sera une onde guidée par la géométrie de son orbitale (cas 2) ? J’ai fait un schéma pour essayer d’être un peu plus clair…

Je me pose cette question car dans les deux cas, le temps mis pour remplir tout l’espace de son orbitale sera très différent…
J’ai refait un petit calcul avec une orbitale de type « s » (cercle de rayon « d ») et une construction de base avec des cercles (2D car symétrie de révolution pour avoir le cas 3D de notre atome). On trouve dans le cas 1, que l’onde au bout d’un temps « t » rempliera une distance l₁=4d.asin(vt/2d) de l’orbitale (sur les 2πd de l’orbital « s » en 2D). Et dans le cas 2 où l’onde n’est plus sphérique mais se propage dans un guide orbital, elle rempliera une distance l₂=2vt. C’est-à-dire que pour des distances équivalentes il y a une différence de temps entre les deux parcours de sin(l/4d)/(l/4d) avec la distance « l » comprise entre 0 et 2πd. D’où une différence de temps de π/2 entre les deux mesures pour retrouver l’entièreté de l’orbitale avec le cas 1 plus rapide que le cas 2, ce qui n’est pas négligeable !
Et naturellement pour toutes les orbitales (« s », « p », « d »…), après une réduction de la fonction d’onde dans un petit volume a³, on trouvera toujours que c’est dans le cas 1 qu’on rempliera le plus rapidement l’entièreté de l’orbital.
Donc ça paraitrait logique que l’onde de probabilité de présence se propage suivant le cas 1. Mais je serai un électron, je trouverai ça plus rigolo d’être guidé par une zone autorisée (l’onde suit la forme de l’orbitale un peu « comme dans une fibre optique ») plutôt que d’essayer des zones qui me sont interdites (par exemple l’onde n’a pas besoin de se propager au centre de l’atome car ce n’est pas permis… cf. schéma).

Qu’en pensez-vous ?
AN : v≈c/100=3*10⁶ m/s et d≈100 pm. Le temps pour retrouver l’entièreté de son orbital « s » dans le cas 2 est de 100 attoseconde et de 63 attosecondes dans le cas 1.

Merci ^^

[vadg]

Salut,
Je trouvais ça intéressant mais peut-être que ma question n'est pas pertinente... ou mal posée et incomprise... ou peut-être qu'on n'a pas la réponse
Tant pis un jour sûrement !

[coussin]

On ne peut pas mesurer précisément la position d'un électron dans un atome. C'est pour ça qu'on a le concept d'orbitale.