Dématérialisation de l'étalon de masse

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Le domaine des masses et des grandeurs apparentées (notamment force et pression) est entré dans l’ère quantique le 20 mai 2019 en définissant l’unité de masse, le kilogramme, à partir de la constante de Planck h. À présent, il est possible de mesurer en termes de h, n’importe quelle valeur de masse et de force pour peu que les systèmes expérimentaux adéquats soient développés.

Balance de Kibble

La balance de Kibble du LNE a contribuée à la fixation de la valeur numérique de la constante de Planck h utilisée pour la redéfinition de l’unité de masse. Désormais, elle participe régulièrement à des comparaisons internationales clefs visant à établir la « valeur de consensus » servant à disséminer l’unité de masse.

Lorsque l’équivalence entre les différentes réalisations aura été démontrée, tout laboratoire national de métrologie (et en particulier le LNE) disposant des moyens adéquats pourra être source indépendante de la traçabilité de masse. De manière tout aussi importante, la définition de l’unité de masse ne se limitera pas à une valeur (le kilogramme), mais permettra en principe la réalisation de toute valeur de masse.

Une balance de Kibble permet d’égaler le poids m g d’une masse m soumise à l’accélération de la pesanteur g, à une force électromagnétique. Cette force est générée par une bobine de longueur l immergée dans un champ magnétique B et parcouru par un courant I, la force est alors B l I.

Le courant I est mesuré par rapport à des étalons quantiques dans lesquels interviennent la constante de Planck h.

Le terme B l est déterminé dans une seconde phase où l’on déplace la bobine verticalement à la vitesse v dans le champ magnétique B tout en mesurant la tension à ses bornes U, alors B l=U/v .

Un tel dispositif permet de déterminer une masse de un kilogramme avec une incertitude de quelques dizaines de microgrammes.

Des contraintes pratiques limitent toutefois l’utilisation d’une balance de Kibble à des masses supérieures au gramme. Une balance à force électrostatique, créant également un lien entre la masse et de la constante de Planck h, permet de lever cette limitation.

Schema de principe de la balance de Kibble — Schémas de principe du fonctionnement de la balance de Kibble

Balance à force électrostatique

L’objectif est de développer une méthode de métrologie primaire pour la mesure de micromasses, inférieures à 1 mg, à partir de la constante de Planck en mettant au point une balance à force électrostatique.

Le principe repose la mesure de l’équilibre entre la force de attraction entre deux électrodes d’un condensateur coaxial soumises à une différence de potentielV et le poids d’une massem. Avec dC/dz le gradient de capacité et g l’accélération de pesanteur cet équilibre s’écrit :

La tension V est mesurée par rapport à de étalons quantiques dans lesquels interviennent la constante de Planck h.

Ce projet a pour ambition de relever plusieurs défis actuels :

Balance électrostatique — Balance à force électrostatique du LNE

Améliorer la chaine de traçabilité en réduisant significativement les incertitudes d’étalonnage des micromasses. Les industries pharmaceutiques, biotechnologies, de la microélectronique ont de fortes attentes dans ce domaine de mesure. Cette amélioration constituera une avancée significative pour la fiabilisation des dispositifs utilisés pour l’administration de médicaments, pour la mesure et le suivi de l’évolution de la masse des cellules ou encore pour le contrôle du dépôt de couches minces de plus en plus fines.
Apporter une traçabilité pour la mesure des forces mises en jeu dans la physique moderne et les technologies émergentes. La micromanipulation est un domaine en plein essor pour lequel l’apport d’une traçabilité permettrait d’optimiser la manipulation de cellules ou encore l’assemblage de MEMS.