L’ampère passe à l’ère quantique : une avancée de portée mondiale en métrologie

En créant un étalon quantique de l’ampère exact à 10^-8 près, le Laboratoire national de métrologie et d’essais concrétise la redéfinition de l’unité d’intensité électrique à partir de la physique quantique et d’une constante fondamentale, affranchissant ainsi l’une des sept unités de base du SI d’une définition électromécanique datant de 1948.

Une nouvelle définition de l’ampère

Le Système international d’unités (SI), qui est construit sur les sept unités de base que sont le kilogramme, l’ampère, le mètre, le kelvin, la seconde, la mole et le candela, devrait connaitre une évolution majeure en 2018 : lors la Conférence générale des poids et mesures qui se tiendra à Paris, les scientifiques ambitionnent de moderniser le SI en le mettant en accord avec la physique moderne. Certaines unités doivent être redéfinies non plus à partir d’artefacts matériels, mais à partir de constantes fondamentales de la physique (la charge élémentaire pour l’ampère, la constante de Planck pour le kilogramme, etc.), et en s’appuyant sur la physique quantique. Avec pour conséquence une réduction des incertitudes de mesure, encore faut-il que des étalons concrétisant ces définitions puissent être développés.

C’est ce qui, d’ores et déjà, vient d’être fait pour l’ampère au LNE, Laboratoire national d’essais et de métrologie.

Rappelons que l’ampère est l’unité de mesure de l’intensité d’un courant électrique. Depuis près de 70 ans, sa définition - qui remonte précisément à 1948 - est reliée à une force électromécanique exprimée en newtons (unité de mesure de la force), alors même que le courant électrique se décrit à l’échelle microscopique par un flux de charges élémentaires par seconde. Une définition qui limite l’exactitude des mesures du courant électrique, et des quantités qui en dépendent.

Première mondiale pour un étalon quantique de courant électrique

Une avancée de portée mondiale a été menée au Groupe de métrologie électrique quantique du LNE, à Trappes, par l’équipe de Jérémy Brun-Picard, Sophie Djordjevic, Dominique Leprat, Félicien Schopfer et Wilfrid Poirier, qui a réalisé un étalon quantique de courant électrique, universel et pratique.

Ces travaux permettent d’améliorer les incertitudes sur la traçabilité des mesures de courant de deux ordres de grandeur par rapport à celles déclarées par les instituts nationaux de métrologie. Publiés dans un journal scientifique de l’American Physical Society, ils ont abouti à générer des courants dont les intensités, dans la gamme du microampère au milliampère, sont reliées à la charge élémentaire avec une incertitude relative de dix parties par milliard (soit 10-8).

La performance a pu être atteinte grâce à la mise au point d’un circuit électrique original permettant d’appliquer, sans erreur, la loi d’Ohm (soit la relation entre courant, tension et valeur d'une résistance) aux étalons quantiques de résistance et de tension qui reposent sur l’effet Hall quantique et l’effet Josephson. Ces deux effets quantiques macroscopiques se manifestent, l’un dans des conducteurs bidimensionnels et l’autre dans des supraconducteurs. De plus, ils sont reliés uniquement à deux constantes fondamentales de la physique quantique, la constante de Planck et la charge élémentaire.

Ce nouveau générateur quantique de courant ouvre la voie à une métrologie électrique complètement fondée, à l’avenir, sur l’ingénierie des étalons quantiques.

Jérémy Brun-Picard, Sophie Djordjevic, Dominique Leprat, Félicien Schopfer et Wilfrid Poirier

Avec, par exemple, comme conséquences pratiques dans la recherche appliquée et dans l’industrie, des mesures électriques, mais pas seulement, bénéficiant de la précision et de la reproductibilité quantique.

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