🌀 Effet Aharonov-Bohm — une phase sans champ
En physique classique, une particule chargée ne ressent une force que là où le champ électromagnétique est non nul. L'effet Aharonov-Bohm contredit cette intuition : des électrons qui se déplacent uniquement dans un espace sans champ enregistrent tout de même un flux magnétique confiné loin de leur trajet. Cette simulation montre comment les franges d'interférence se décalent alors en douceur avec le flux englobé — une signature quantique sans équivalent classique.
Questions fréquentes
C'est un phénomène quantique dans lequel une particule chargée est mesurablement affectée par un potentiel électromagnétique même dans des régions où les champs magnétique et électrique sont nuls. Un électron qui contourne un flux magnétique confiné acquiert un déphasage qui ne dépend que du flux englobé.
Le champ magnétique B est nul le long des deux trajets, mais le potentiel vecteur A ne l'est pas. La phase de l'électron dépend de l'intégrale de ligne de A le long de son trajet, et la différence entre les deux trajets est égale au flux magnétique englobé. C'est donc le potentiel, et non le champ local, qui porte l'influence physique.
La différence de phase entre les deux trajets vaut Δφ = (e/ħ)·Φ, où e est la charge de l'électron, ħ est la constante de Planck réduite et Φ est le flux magnétique englobé par les deux trajets. La figure de franges se décale d'une période complète chaque fois que Φ change d'un quantum de flux h/e.
Pourquoi l'effet Aharonov-Bohm est-il qualifié de topologique ?
La phase ne dépend que du fait que le trajet entoure le flux, et combien de fois, et non de sa forme précise. Cette dépendance au nombre d'enroulements est une propriété topologique : déformer continûment le trajet sans traverser le flux laisse la phase inchangée.
L'effet a-t-il été observé expérimentalement ?
Oui. Akira Tonomura et ses collègues l'ont confirmé en 1986 grâce à l'holographie électronique, avec de minuscules aimants toroïdaux enrobés d'un supraconducteur qui confinait entièrement le flux. Les décalages de franges mesurés correspondaient à la théorie et étaient quantifiés en unités de h/e.
À quoi sert le curseur de flux dans cette simulation ?
Le curseur de flux règle le flux magnétique Φ englobé entre les deux fentes, exprimé en quanta de flux. L'augmenter décale latéralement toute la figure d'interférence, alors même que les électrons ne pénètrent jamais dans une région de champ magnétique non nul.
L'effet Aharonov-Bohm est-il classique ou purement quantique ?
Il est purement quantique. Classiquement, la force de Lorentz est nulle là où B=0, donc une charge classique ne ressent rien. Seule la phase quantique de la fonction d'onde est sensible au potentiel vecteur, ce qui en fait une démonstration frappante de la réalité physique des potentiels en mécanique quantique.
Qu'est-ce qu'un quantum de flux ?
Un quantum de flux est la quantité de flux magnétique qui décale la figure d'interférence d'exactement une frange complète. Pour un seul électron, il vaut h/e ≈ 4,14×10⁻¹⁵ weber. Dans les supraconducteurs, le quantum pertinent vaut h/2e en raison des électrons appariés.
L'effet viole-t-il la localité ou la relativité ?
Non. Le potentiel vecteur est défini localement en tout point du trajet, donc l'influence est locale dans le potentiel, même si elle est non locale dans le champ. Aucune information ne voyage plus vite que la lumière, et l'effet est pleinement compatible avec la théorie quantique relativiste.
Quels réglages sont disponibles dans cette simulation ?
Vous pouvez ajuster le flux magnétique englobé, la longueur d'onde de l'électron et l'écartement des fentes, puis mettre en pause, reprendre ou réinitialiser l'animation. Un bouton d'information ouvre une explication, et la figure de franges en direct se met à jour instantanément lorsque vous changez le flux.