Ce projet européen (JRP GIQS) est un projet de métrologie fondamentale visant à l’amélioration de la traçabilité des mesures d’impédance électrique (R, L, C) en développant de nouveaux étalons quantiques de résistance et d’impédance et de nouveaux ponts de comparaisons d’impédances, numériques ou fonctionnant avec des références de tension Josephson AC. Ce projet s’inscrit dans le prolongement de l’évolution, en 2018, des définitions des unités du SI qui permettent désormais une mise en pratique « quantique » de toutes les unités électriques.
Objectifs
Améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique en régime de courant alternatif (AC) dans le graphène. Optimiser des dispositifs à base de graphène pour obtenir des étalons d’impédance à base de l'effet Hall quantique.
Faire progresser les ponts numériques pour la gamme de capacité de 10 pF à 10 nF à des fréquences élevées et développer un pont de mesure d'impédance fonctionnant avec des tensions de Josephson jusqu'à 50 kHz dans tout le plan complexe des impédances.
Combiner des dispositifs à base de graphène, une génération des tensions par l’effet Josephson (EJ) et un pont entièrement numérique afin d’établir la traçabilité des mesures de capacité jusqu'aux étalons de résistance quantique à effet Hall quantique (EHQ).
Mettre au point un nouveau système cryogénique accueillant un dispositif supraconducteur à EJ et un dispositif à EHQ en graphène, tous deux fonctionnant en courant alternatif (AC) et permettant la réalisation des étalons primaires quantiques de résistance et d'impédance dans le SI.
Faciliter le transfert des technologies et des dispositifs de mesure développés dans le cadre de ce projet vers les utilisateurs finaux (laboratoires de métrologie, fabricants de graphène, centres d'étalonnage…).
Résumé et premiers résultats
L'objectif de ce projet européen est de fournir aux laboratoires nationaux de métrologie, aux centres d'étalonnage et à l'industrie la technologie nécessaire à la réalisation pratique des unités SI d'impédance électrique (ohm, farad, henry). Pour y parvenir, le consortium étudie la possibilité de combiner des nouveaux ponts numériques de mesure d'impédance (numérique ou Josephson) et des étalons quantiques de résistances réalisés à partir de graphène (pour la mise en œuvre de l’effet Hall quantique). Les dispositifs de mesure devront en particulier pouvoir être utilisés dans des dispositifs cryogéniques simples, pouvant à terme être exploités dans l’industrie.
Le projet européen a débuté en juin 2019 et s’étendra sur trois années. Le programme de travail a été réparti entre les 11 partenaires et est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet a été structuré en 3 lots de travail technique (WP) :
- WP1 - Développement de dispositifs à effet Hall quantique à base de graphène afin d’obtenir des nouveaux étalons quantiques de résistance pour des applications en courant continu et en alternatif.
- WP2 - Amélioration la précision des ponts d’impédances numériques comportant des références de tension Josephson alternatif ;
- WP3 - Amélioration de la traçabilité des impédances à l’effet Hall quantique en combinant des dispositifs de résistances étalons à base de graphène en AC, des tensions Josephson alternatif et des ponts d’impédance numériques.
Par ailleurs, le lot WP4 sur la valorisation du projet, vise particulièrement à promouvoir les résultats obtenus auprès des acteurs industriels.
Pour obtenir plus d'informations sur le JRP GIQS : https://www.ptb.de/empir2019/giqs/home/
Dans ce projet, le LNE contribue à améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique (QHE) en régime alternatif dans le graphène, et participe à l’optimisation des dispositifs étalons à base de graphène et de ponts d’impédances totalement numériques, afin d’assurer la traçabilité des mesures d'impédance à l'effet Hall quantique. Pour étudier le comportement en fréquence des barres de Hall, le LNE développe un dispositif de mesure, en courant continu et alternatif, spécifiquement adapté à son nouveau système de refroidissement cryomagnétique pour la mise en œuvre des étalons quantiques de résistances.
Publications et communications
COUËDO F., THEVENOT O. et al., « The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard », 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.
Partenaires & Collaborations
Ce projet européen (JRP) réunit 11 partenaires :
- PTB, Allemagne
- CMI, République Tchèque
- INRIM, Italie
- LNE, France
- METAS, Suisse
- RISE, Suède
- VTT, Finlande
- CNRS (CRHEA et C2N), France
- NIMT (Institut national de métrologie de Thaïlande), Thaïlande
- POLITO (Politecnico di Torino), Italie
- KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science), République de Corée
Impacts attendus
- amélioration des étalons d’impédance électrique dans les instituts nationaux de métrologie par la réalisation de nouveaux étalons quantiques à base de graphène ;
- amélioration de la traçabilité des impédances électriques (incertitude de mesure et conditions de mesure) ;
- réduction de la chaîne de raccordement des instruments de mesure au SI par l’usage d’étalons quantiques simplifiés et facilitation de l’usage industriel d’instruments de mesure et d’étalons quantiques pour les impédances électriques.