Catégorie : Test & Mesure     15/04/2014

La redéfinition de l’ampère par constantes fondamentales récompensée par le prix Helmholtz

Cette structure semi-conductrice peut mesurer des électrons uniques ainsi que leur charge respective. Quatre «Pompes à électrons uniques» sont intégrées sur la puce ; chacune d’entre elles est dotée de trois électrodes (de couleur verte) traversant un fil semi-conducteur (bleu). L’acquisition des électrons pompés est réalisée à l'aide de trois détecteurs à électrons uniques (gris).

Fig.: PTB

Des « étalons » quantiques pour les unités électriques volt et ohm sont disponibles depuis plus de deux décennies. Toutefois, pour l'unité de base électrique du système international d'unités (SI) de l'ampère, une « nouvelle » référence quantique fait toujours défaut. Pour cette unité de base de courant, il est prévu dans le « SI nouveau » d’attribuer à la constante fondamentale correspondante la charge électrique d'un électron unique.

Un groupe de scientifiques de l’institut PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) a développé avec succès une référence qui non seulement génère un courant à électrons uniques cadencés mais le mesure également simultanément et de manière indépendante – et ce, juste à temps pour la Conférence Internationale des Poids et Mesures de novembre prochain au palais des Congrès de Versailles. Cette conférence devrait justement statuer sur la mise en place d’un « nouveau système international (SI) » en reliant notamment un certain nombre d’unités de base à une constante physique fondamentale.

Pour récompenser cette avance considérable, les scientifiques, sous la direction de Hans Werner Schumacher, ont reçu le prix Hermann von Helmholtz doté de 20 000 €. Celui-ci est réputé être l'un des prix internationaux les plus prestigieux dans le domaine de la métrologie, à savoir la science de la mesure précise.

L'ampère a longtemps été une unité problématique. En effet, bien qu’il s’agisse d’une unité de base – et donc d’une base pour toutes les mesures électriques – cette unité ne peut être réalisée de façon métrologique précise que via les unités électriques dérivées du volt et de l'ohm. Ces deux unités peuvent être réalisées avec précision sur la base des constantes fondamentales – la constante de Josephson (pour la tension) et la constante de von Klitzing (pour la résistance). Les scientifiques du monde entier ont déployé des efforts considérables afin d’obtenir pour l'ampère la constante fondamentale appropriée, à savoir la charge d'un électron unique.

Un étalon quantique pour l’unité ampère pourrait en principe être réalisé en contrôlant l'émission et la détection d'électrons uniques dans un nano-circuit électronique. Ce circuit pourrait alors servir de « pompe à électrons uniques »- dispositif qui a déjà été conçu dans les années 1990. Ce n’est cependant que très récemment que des scientifiques de l’institut PTB ont développé une pompe à électrons uniques optimisée, permettant à la fois avec un minimum d’incertitude de générer un courant à électron unique cadencé et de le mesurer de façon indépendante.

À cette fin, le professeur Schumacher et son équipe ont développé une « source de courant quantique auto-référencée ». Il s'agit d'un circuit à semi-conducteurs doté de plusieurs pompes et de détecteurs, exploité dans des conditions de température proches du zéro absolu. La pompe à électrons uniques est une île à semi-conducteurs minuscule avec deux conducteurs de courant. Lors du fonctionnement de pompage, un électron en provenance du fil de courant de gauche est tout d’abord chargé sur l'île puis relâché via le fil de courant de droite. Si cette procédure est répétée périodiquement à la fréquence d'horloge, il est alors généré un courant qui n’est déterminé que par la fréquence d'horloge et la charge d’électron unique. Ces circuits de semi-conducteurs ont déjà été considérés depuis un certain temps comme des candidats prometteurs pour la réalisation de l'ampère.

Pour la première fois, le groupe du professeur Schumacher vient de parvenir à mesurer le courant impliqué dans chaque saut d’électron unique. La pompe ne transporte que quelques dizaines d'électrons par seconde – vitesse suffisamment réduite pour permettre des mesures de précision. Comme annoncé il y a quelque temps dans la revue scientifique « Nature », ce nouveau développement de l’institut PTB représente une étape décisive vers une nouvelle définition de l'ampère et démontre ainsi que la réalisation de la nouvelle définition sur la base de la charge d'un électron unique peut effectivement fonctionner.

De plus, la source de courant nouvellement développée permet de générer de petits courants de l’ordre du attoampère (10^-18 ampères) validés avec une incertitude de mesure nettement moins performante qu’avec des procédés de mesure de courant classiques. Cette source permet par conséquent d’étalonner avec précision des instruments dédiés aux petits courants de mesure utilisés par exemple dans la dosimétrie du personnel en matière de radioprotection.

Le Prix Helmholtz, décerné tous les deux à trois ans par le Helmholtz-Fonds (Fondation Helmholtz) et la Stifterverband für die deutsche Wissenschaft (Association des bailleurs de fonds pour la promotion des sciences et des sciences humaines en Allemagne), traduit une des plus hautes considérations pour le travail des scientifiques dans le domaine des mesures de précision en physique, chimie et médecine. Cette année, le prix doté de 20 000 € sera remis le 24 Juin 2014 à la clôture du symposium de Helmholtz (intitulé «Transparence : mesure des rayons X ») à la Haus der Wissenschaft (Maison de la Science) à Braunschweig

Les lauréats Lukas Fricke, Dr Bernd Kästner, le Dr Ralf Dolata, PD Dr Frank Hohls, PD Dr Hans Werner Schumacher (de l’institut PTB)

Pour de plus amples informations : www.ptb.de