La physique quantique, simplement

Le quantique est déjà dans votre poche

On l'imagine réservé aux savants, ou on le colle sur des produits qui n'ont rien à voir avec lui (chapitre 8). Pourtant, vous vous en servez cent fois par jour :

• la LED de votre lampe et l'écran de votre téléphone ;
• le panneau solaire sur le toit ;
• la clé USB et la mémoire de votre téléphone ;
• le transistor, par milliards dans chaque puce ;
• le laser qui lit les codes-barres à la caisse ;
• les horloges atomiquesChaque satellite GPS en embarque plusieurs. La seconde elle-même est définie par un saut d'énergie de l'atome de césium. Détails dans Aller plus loin. des satellites qui guident votre GPS.

Aucun de ces objets ne s'explique avec l'électricité « classique » des fils et des résistances. Il faut descendre d'un étage, chez les atomes, les électrons et les grains de lumière.Le mot vient du latin quantum, « combien ». Il annonce l'idée centrale : à cette échelle, l'énergie se compte par paquets, comme des pièces de monnaie.

Le distributeur qui refuse la petite monnaie

Imaginez un distributeur de boissons qui n'accepte que les pièces de 2 €. Versez-y cent pièces de 10 centimes : rien ne tombe. Une seule pièce de 2 € : la canette arrive.
Un panneau solaire traite la lumière exactement ainsi :

• la lumière n'arrive pas en flot continu, mais en grains : les photonsDu grec phôs, lumière. Un photon n'a pas de masse ; il transporte une quantité d'énergie fixée par sa couleur. ;
• la couleur fixe la valeur de chaque pièce : un photon bleu vaut plus qu'un photon rouge ;
• la quantité de lumière fixe le nombre de pièces, jamais leur valeur.

Dans la cellule, un photon libère un électron seulement s'il vaut au moins le « prix » demandé. Sinon, il traverse ou chauffe, sans libérer personne, même s'il en arrive des milliards.C'est l'explication de l'effet photoélectrique, publiée par Albert Einstein en 1905. Elle lui a valu le prix Nobel de physique 1921 ; la relativité, elle, n'y figure pas.

L'électronvolt : l'unité taillée pour les électriciens

Le joule est bien trop gros pour un seul photon. On compte en électronvolts (eV) :Chaque électron qui fait le tour d'un circuit alimenté par une pile de 1,5 V reçoit 1,5 eV de la pile, et les dépose dans la lampe : votre multimètre parle déjà la langue des photons.

Lumière	Longueur d'onde	Un photon vaut
Chaleur d'un radiateur	10 000 nm	0,12 eV
Télécommande (infrarouge)	940 nm	1,3 eV
Rouge	650 nm	1,9 eV
Vert	530 nm	2,3 eV
Bleu	450 nm	2,8 eV
Ultraviolet d'une « lumière noire »	365 nm	3,4 eV

Le silicium des panneaux demande 1,12 eV par électron. Tout le visible et l'infrarouge proche, jusqu'à 1 100 nm, passent à la caisse. Les photons d'un radiateur n'ont aucune chance : il en faudrait dix d'un coup, et un électron n'additionne pas les piècesPresque jamais : avec un laser très puissant, deux photons peuvent agir ensemble. Dans un panneau au soleil, cela n'arrive pas..

Pourquoi un panneau rend environ 20 %

Notre distributeur a un autre défaut : il ne rend pas la monnaie. Chaque photon, quelle que soit sa valeur, ne libère qu'un seul électron, qui ne garde que 1,12 eV.

• photons trop faibles (infrarouge au-delà de 1 100 nm) : près d'un cinquième de l'énergie du soleil, perdue ;
• photons trop forts (bleu, ultraviolet) : l'excédent part en chaleur. C'est la plus grosse perte, plus d'un tiers ;
• même parfaite, une cellule au silicium plafonne donc vers 32 % ; celles du commerce rendent environ 20 à 23 %.

La parade des laboratoires : empiler deux matériaux qui ne demandent pas le même prix, chacun récupérant les photons à sa mesure. Ces cellules « tandem » dépassent 33 % en laboratoire (cours Photovoltaïque, en lien en fin de page).