La balle qui traverse le mur

Lancez une balle contre un mur trop haut pour elle : elle revient, toujours. Un électron devant une couche isolante trop « haute » pour son énergie a, lui, une petite chance de se retrouver de l'autre côté, sans trou et sans abîmer le mur.

L'effet tunnel expliqué avec une onde

Une balle lancée contre un mur trop haut revient toujours. L'électron se comporte comme une onde : dans un isolant, cette onde ne s'arrête pas net, elle s'affaiblit. Si l'isolant est mince, il en reste un peu de l'autre côté, et l'électron peut y apparaître : c'est l'effet tunnel. La probabilité chute très vite quand l'épaisseur augmente.

l'électron se comporte comme une onde : elle ne s'arrête pas net au bord du mur, elle s'y affaiblit ;
si le mur est mince, il reste un peu d'onde de l'autre côté : l'électron peut y apparaître ;
la chance chute très vite avec l'épaisseur : quelques dixièmes de nanomètre en plus, et elle est divisée par dix.

Le Soleil en dépend :
deux noyaux d'hydrogène se repoussent trop fort pour se toucher, même à 15 millions de degrés. Ils fusionnent quand même, grâce à l'effet tunnel. Sans lui, le Soleil ne brillerait pas.

Imaginé en 1928 par George Gamow pour expliquer la radioactivité : le noyau « fuit » par effet tunnel.

Votre clé USB écrit par effet tunnel

Une case de mémoire flash est un transistor muni d'une cage à électrons, la grille flottante, entièrement entourée d'isolant.

Comment une clé USB écrit : la grille flottante et l'effet tunnel

Une case de mémoire flash est un transistor dont la grille flottante est entourée d'isolant. Pour écrire, une tension d'environ 20 volts sur la grille de commande fait traverser à des électrons l'isolant mince, épais d'environ 8 nanomètres, par effet tunnel. Piégés dans la grille flottante, ils y restent des années sans alimentation et modifient le seuil du transistor : c'est un 0 ou un 1.

écrire : une tension d'environ 20 V, fabriquée dans la puce, « penche » le mur d'isolant le plus mince, épais d'environ 8 nanomètres. Des électrons le traversent par effet tunnel et se retrouvent coincés dans la cage ;
garder : sans tension, la traversée redevient quasi impossible. Les électrons restent prisonniers des années, sans pile ;
lire : les électrons piégés changent le seuil du transistor. Piégés ou non, c'est un 0 ou un 1 ; plusieurs niveaux de remplissage permettent même de ranger 3 ou 4 bits par case.

Les mémoires récentes en 3D piègent les électrons dans une couche isolante plutôt que dans une grille, mais elles écrivent toujours par effet tunnel.

Le revers :
dans les processeurs, l'isolant des transistors est descendu vers un nanomètre au début des années 2000. Les électrons le traversaient en fuites permanentes, qui chauffaient les puces : l'industrie a dû changer d'isolant, en 2007. Et une case usée par des milliers d'écritures laisse fuir ses électrons : une clé USB s'use, mieux vaut ne pas lui confier ses seules archives.

Un circuit électrique qu'on tient dans la main

On a longtemps cru le quantique réservé aux objets minuscules. Au milieu des années 1980, à Berkeley, John Clarke, le Français Michel Devoret et John Martinis refroidissent un circuit électrique de la taille d'une puce, muni d'une jonction JosephsonDeux morceaux de métal supraconducteur séparés par un isolant d'un ou deux nanomètres. Très froid, le courant y circule sans aucune résistance, et franchit l'isolant par effet tunnel.. Le circuit entier, avec ses milliards d'électrons, franchit une barrière par effet tunnel, et n'accepte l'énergie que par marches, comme un atome.

prix Nobel de physique 2025 ;
ces circuits sont devenus les qubits des ordinateurs quantiques de Google et d'IBM, refroidis à un centième de degré environ au-dessus du zéro absolu (−273,15 °C).

Pour un électricien :
un condensateur et une jonction qui se comporte comme une bobine : un circuit oscillant. Très froid, il ne vibre plus comme on veut, mais par marches d'énergie. On l'appelle d'ailleurs un « atome artificiel ».