Redéfinition du kilogramme : vers une dématérialisation complète

Depuis 1889 la définition de l'unité de masse était réalisée par un cylindre de platine iridié conservé au Bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres. L’IPK (international protype of kilogram) est gardé en sécurité, dans un caveau, sous trois cloches de verre : sa masse est par définition exactement égale à 1 kg. Mais cet artéfact matériel disponible que dans un seul lieu, n’est pas stable dans le temps car non lié à un invariant de la nature. En effet, au cours des quatre comparaisons effectuées en un siècle et demi, on a noté des incohérences entre la masse de l’IPK et des autres prototypes, de forme et de composition quasi-identiques. Des prototypes qui incluent des « copies officielles », issues de la même coulée que l’IPK (réalisée de 1882 à 1889) et stockées dans les même conditions que l’IPK ; et des « prototypes nationaux », attribués à la plupart des pays pour servir d’étalons nationaux de masse. Les comparaisons effectuées ont révélé que la masse du prototype de référence a varié d’environ 50 microgrammes par rapport à celle des autres prototypes et qu’il ne permet plus aujourd’hui une mesure certaine des masses.

Outre le problème d’un étalon de masse inconstant, cette dérive se propage par ailleurs à d’autres unités (newton, joule, watt…) définies à partir du kilogramme. Pour s’affranchir de ces limites et de ces écueils,le Comité international des poids et mesures (CIPM) a recommandé, en 2005, de redéfinir le kilogramme à partir d’une constante fondamentale de la nature : la constante de Planck (h), à la fois immatérielle, stable et universelle.

« Pourquoi avoir choisi la constante de Planck pour redéfinir le kilogramme ? »

Expérience de la balance du watt (ou balance de Kibble)

Pour mesurer la constante de Planck, les chercheurs du LNE ont utilisé une balance du watt (ou de Kibble) qui permet de comparer des puissances électrique et mécanique. Son principe : une balance dont l’un des bras supporte une masse et dont l’autre est relié à une bobine placée dans un champ magnétique. Par une mesure en deux temps, il est alors possible de relier cette masse, exprimée en kilogramme,  à une tension aux bornes de la bobine et un courant y circulant. Le lien avec la constante de Planck se fait via des phénomènes quantiques (les effets Josephson et Hall quantique) impliquant cette tension et ce courant.

En 2016, plusieurs laboratoires impliqués dans la redéfinition du kilogramme ont comparé avec un soin inégalé leur étalon de masse avec celui conservé au BIPM, préalable indispensable à une mesure de précision de la constante de Planck. Au LNE, après des années d’études et de développements, une campagne de mesures ininterrompue d’une trentaine de jours a ensuite été menée entre février et mars 2017, de quoi produire une valeur de h avec une incertitude relative de 5,7.10^-8. Aux côtés des équipes canadienne et américaine, le LNE fait ainsi partie des trois laboratoires à avoir fourni une valeur de la constante de Planck au moyen d’une balance de Kibble avec une incertitude conforme aux prescriptions du CIPM (Comité international des poids et mesures) pour la redéfinition du kilogramme.

Une fois la nouvelle définition du kilogramme entérinée, la balance du watt du LNE permettra d’étalonner n’importe quelle masse sans recours à un artéfact matériel, via la mesure inverse à celle réalisée pour mesurer h. L’IPK ne sera alors plus qu’une curiosité historique, et le kilogramme fondé sur un étalon réellement universel.

« Quels sont les bénéfices et les perspectives de progrès ouverts par la redéfinition du kilogramme ? »

Mise en pratique de la future définition du kilogramme

Mais après la théorie, la pratique ! Si l’on supprime la référence à l’artéfact matériel pour la définition du kilogramme, il faudra bien garder un moyen de dissémination. L'objectif étant de pouvoir établir une comparaison avec des étalons secondaires, dans le monde entier. Au sein du projet européen NewKILO (2012-2015), le LNE-CNAM (LCM) a travaillé sur les matériaux à utiliser, la conservation et le nettoyage des étalons. Le projet vise à développer les étalons et les méthodes permettant la traçabilité de la masse à une matérialisation de l’unité sous vide.

L’étalon primaire est entreposé dans des conditions atmosphériques. Son alliage est composé de platine (90 %), durci par l’adjonction d'iridium (10 %). Dans le cadre de la redéfinition du kilogramme, ses limites apparaissent si l’on veut améliorer l’incertitude de la réalisation primaire.

C’est pourquoi, à côté des étalons en platine iridié et en acier inoxydable, en termes de nouveaux matériaux, la France a choisi l’iridium pour les étalons primaires. Un matériau spécifiquement compatible avec l’expérience française de balance de Kibble, et l’Udimet 720 dont les propriétés physico-chimiques sont meilleures que celles de l’acier inoxydable pour les étalons secondaires. Une attention particulière a été portée sur la notion de transfert air-vide d’artéfacts. Le LCM a également travaillé sur l’influence de l’environnement : les travaux ont montré qu’il n’existe pas, aux incertitudes de mesures près, de réel effet d’adsorption ou de désorption de l’enceinte vers l’étalon de masse et la balance sur les résultats de comparaison (La sorption est un phénomène d’adhésion de molécules provenant de l’environnement sur les surfaces d’objets solides).

Enfin, un dispositif de nettoyage par plasma a été créé avec un mélange d’azote et d’oxygène afin de le substituer au nettoyage classique des masses par des solvants. Une étude a mis en évidence l’efficacité de ce nettoyage plasma sur le platine iridié, tout en garantissant une stabilité de la masse à long terme.

Grâce au développement de tous ces dispositifs pratiques, le LCM assurera la traçabilité entre la nouvelle définition du kilogramme et l’échelle de masse actuelle, nécessaire pour la dissémination.

Conférence « Le kilogramme : de l'artefact à la constante de Planck »