Réalisation d'une nouvelle génération d’étalons quantiques fondée sur l’effet Hall quantique

Le 07 décembre 2018, Jérémy BRUN-PICARD a soutenu sa thèse de doctorat intitulée portant sur la réalisation d’un étalon quantique de résistance électrique à base de graphène et sur la faisabilité d’un étalon quantique d’intensité de courant qui associe deux étalons quantiques, de résistance et de tension.

Ces travaux de recherche réalisés dans le cadre de cette thèse ont été menés au sein de l'équipe de recherche fondamentale en métrologie électrique du LNE et s'inscrivent dans le programme de recherche pour développer des étalons quantiques de résistance électrique, avec une très faible incertitude de réalisation de l’ohm et des conditions de mise en œuvre les plus accessibles possibles (températures pas trop basses et champ magnétique pas trop élevé).

Résumé de la thèse

La nouvelle définition du Système international d'unités (SI) de 2018, désormais fondé sur des constantes physiques, va permettre d’exploiter pleinement des étalons quantiques pour la résistance, l’intensité de courant et la tension, reliés directement à la constante de Planck (h) et à la charge élémentaire (e), pour assurer la traçabilité des mesures électriques au SI.

Les travaux de thèse ont consisté à développer et étudier un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que celles de l’étalon antérieur en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T ≈ 10 K), des champs magnétiques plus faibles (B ≈ 3,5 T) et des courants de mesures plus grands (I ≈ 500 µA). Dans l’objectif de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ.

Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques, de tension et de résistance, dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 µA à 5 mA, avec une incertitude relative jamais atteinte de 10–8. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant donc la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre.