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Métrologie électrique quantique

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Métrologie quantique et constantes fondamentales : école internationale Les Houches du 1er au 12 octobre 2007.

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Présentation

Les grandeurs électriques sont définies dans le système international d'unités (SI) par rapport à l'ampère, mais la réalisation pratique avec une exactitude élevée de ces définitions est très difficile et ne répond pas aux exigences de l'instrumentation moderne qui nécessite des étalons électriques de plus en plus stables et reproductibles. Au cours des vingt dernières années, la maîtrise d'effets quantiques du transport électronique a montré la possibilité de substituer aux étalons matériels des étalons quantiques plus stables et plus reproductibles et a permis l'avènement de la métrologie électrique quantique. La mesure de ces étalons met en jeu des constantes physiques, telles que la charge de l'électron e et la constante de Planck, h qui revêtent un caractère universel.

Ainsi, depuis le début des années 90, le CIPM (Comité International des Poids et Mesures) recommande l'utilisation de l'Effet Josephson et l'Effet Hall Quantique (EHQ), pour réaliser respectivement les étalons de tension et de résistance. Plus récemment, une nouvelle voie a été ouverte vers un étalon de courant reposant sur l'effet Tunnel Mono-électronique (ETM). Dans ce cadre, les nouveaux étalons quantiques ont permis d'atteindre des niveaux de reproductibilité jamais égalés auparavant.

Les développements en cours au LNE

Le LNE s'est ainsi engagé dans des études destinées à maîtriser les propriétés des dispositifs nano-métriques permettant le maintien des unités de tension et de résistance. Les phénomènes quantiques mis en jeu s'observant dans des conditions expérimentales spécifiques, une instrumentation adaptée a été développée au laboratoire (Comparateurs Cryogéniques de Courants Continus : 4C).

Le LNE développe également des études innovantes sur les réseaux Josephson programmables ou la conception et la réalisation de réseaux de barres de Hall qui font appel aux techniques pointues de la lithographie. Un étalon quantique de courant (basé sur l'effet Tunnel Mono-électronique, ETM) est également mis au point dans le cadre de l'expérience du triangle métrologique qui consiste à réaliser une loi d'ohm quantique à partir des trois effets (Josephson, EHQ, ETM). Le but principal de cette expérience est de vérifier, avec une incertitude relative de 10-8 , la cohérence des constantes, et de leurs valeurs impliquées dans les trois phénomènes quantiques. Ceci est une étape permettant d'envisager à terme la représentation de certaines unités électriques en termes de constantes universelles (h, e …).

L'expérience du triangle métrologique

Triangle métrologique

 

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