L’objectif initial du projet était la mesure directe de la constante de von Klitzing en unités SI par application du théorème de Lampard. Depuis l’adoption des nouvelles définitions du SI en 2018, cette constante est désormais établie comme exacte et fonction uniquement de la constante de Planck et de la charge élémentaire. La construction et la caractérisation d’un étalon de capacité calculable de Thompson-Lampard de grande exactitude, objet de ce projet, reste un objectif poursuivi pour établir une référence primaire de capacité électrique, permettant de réaliser le farad selon une des deux voies recommandées pour la mise en pratique du SI.

Objectifs

Réaliser un nouvel étalon calculable de capacité de Thompson-Lampard à cinq électrodes ;

Déterminer  directement  la  constante  de von  Klitzing (RK) avec  une  incertitude  de  10–8 pour préparer la révision du SI, notamment la définition de l’ampère sur la base d’une constante de la physique, et vérifier la cohérence des valeurs retenues pour les constantes de définition ;

Mise en place d’une chaîne de comparaison d’impédances performante pour déterminer l’ohm à partir du farad et le comparer ensuite à l’ohm issu de l’effet Hall quantique pour en déduire RK.

Résumé et résultats

L’objectif initial de ce projet était la mesure directe de la constante phénoménologique de von Klitzing RK en unités SI par application du théorème de Lampard. Avant 2017, cette détermination permettait de valider l’égalité théorique de RK et du rapport /e2 (h étant la constante de Planck et e la charge de l’électron) déduit jusqu’alors de la mesure de la constante de structure fine α par d’autres méthodes expérimentales issues de la physique atomique et des calculs d’électrodynamique quantique (avec /e2 = μ0·/2α où μ0 est la perméabilité du vide et c la vitesse de la lumière). La détermination de α pouvant être effectuée avec une incertitude bien inférieure à celle avec laquelle est effectuée celle de RK, l’incertitude avec laquelle est vérifiée l’égalité RK = /e2 correspond principalement à l’incertitude sur la détermination de RK. Celle-ci devait donc être réalisée avec la meilleure exactitude possible. C’est pourquoi l’incertitude visée pour l’étalon calculable de capacité est de l’ordre de 1×10-8.

La révision du SI en 2018[1] a conduit à la fixation de la valeur numérique de h et de e et en conséquence, celle de RK = /e2. L’objectif du projet porte désormais uniquement sur la réalisation du farad à partir de l’étalon calculable de capacité de Thomson-Lampard. À l’issue de ce projet, cet étalon pourra être utilisé pour déterminer, non plus RK, mais la constante de structure fine α et les constantes du vide (ε0, µ0 et Z0) avec une incertitude voisine de 1×10-8, au travers d’une comparaison d’étalonnages de capacité de 10 pF et 100 pF réalisés à partir de l’étalon de Lampard et à partir de l’effet Hall quantique.

De façon concrète, le travail engagé dans ce projet est la construction d’un nouvel étalon calculable de capacité de type Thompson-Lampard et l’amélioration de la chaîne de mesure de capacité associée.

Cet étalon repose sur le théorème d’électrostatique[2] énoncé en 1956 par A. Thompson et D. Lampard. Il s’agit d’un nouveau montage pour répondre à ces défis ultimes en termes d’incertitude de mesure car le laboratoire national français a déjà conçu et mis en œuvre plusieurs versions dont la première remonte à 1960. Les principales caractéristiques de ce nouvel étalon sont les suivantes :

  • Il est composé de 5 électrodes cylindriques positionnées verticalement ;
  • Un écran mobile peut être déplacé au centre de la cavité formée par les 5 électrodes ;
  • Une machine à mesurer la position des électrodes est intégrée à l’étalon ;
  • Un ajustement sub-micrométrique a été conçu pour régler indépendamment la position de chaque électrode ;
  • Le positionnement latéral de la garde mobile est garanti par la qualité de la cylindricité de l’entrefer, donc des électrodes ;
  • L’ensemble (électrodes et instrumentation) est placé dans une enceinte pour créer les conditions de mesure sous vide.

Dans la configuration, où les électrodes sont parfaitement identiques et positionnées aux sommets d’un pentagone régulier, les capacités linéiques γ entre deux électrodes opposées sont égales. L’écran mobile permet de faire varier les valeurs des capacités croisées en fonction de sa position dans la cavité centrale. Finalement, une variation de capacité (∆C) est réalisée et l’écart de capacité mesuré est directement proportionnel au déplacement de l’écran (∆L) dans la cavité cylindrique centrale : ∆C = γ · L.

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Photo mécanique du Lampard
Fig.1 – Vue d’ensemble du montage de l’étalon calculable de capacité.

Les principaux défis de réalisation de cet étalon résident dans la fabrication mécanique des électrodes (dimensions et état de surface) et dans leur positionnement (parallélisme) à quelques dizaines de nanomètres près. Un dispositif optique de mesure interférométrique a été ajouté au système pour mesurer in situ le déplacement de l’écran mobile (∆L). Le centrage de la garde mobile constitue la principale composante d’incertitude. Elle doit être centrée dans les deux positions « entrée » et « sortie » à mieux que 50 nm sur la distance entre elle et chacune des 5 électrodes. Le déplacement choisi au LNE est tel que la variation de capacité générée soit de l’ordre de 0,5 pF.

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Dessin de positionnement de la garde du Lampard
Fig.2 – Illustration du déplacement de la garde dans la cavité formée par les 5 électrodes de l’étalon de capacité.

L’étalon calculable a été monté dans sa version définitive. Sa caractérisation métrologique se poursuit : linéarité, impédances de fuite, coefficient de fréquence, de tension. À l’issue de ces mesures, un étalonnage de capacité 10 pF et 100 pF pourra être réalisé avec incertitude de l’ordre de 1×10-8.

Ces résultats seront comparés aux mêmes étalonnages réalisés à partir de l’effet Hall quantique et du pont de quadrature, afin de valider la cohérence des deux voies de réalisation du farad recommandées par le CCEM pour la mise en pratique des unités électriques du SI, et ce avec une exactitude relative de quelques 10-8.

La réalisation primaire du farad à partir de l’étalon de Thompson-Lampard, au niveau de 1×10-8 est à ce jour aussi compétitive que la réalisation à partir de l’étalon quantique de résistance fondé sur l’effet Hall quantique.

 

Références :

[1]  « Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI) », BIPM. 9e édition, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0.

[2]  THOMPSON A.M. and LAMPARD D.G., “A new theorem in electrostatics with applications to calculable standards of capacitance”, Nature, 1956, 177, 888-890, DOI: 10.1038/177888a0.

 

 

Impacts scientifiques et industriels

  • Détermination directe de RK et vérification expérimentale de l’égalité théorique RK = h/e2 ;
  • Contribution du LNE à la révision du SI en 2018 ;
  • Traçabilité des mesures de capacités (farad) indépendante des mesures de résistance (ohm).

Partenaires/Collaborations

  • NMIA, Institut national de métrologie de l’Australie ;
  • Partenaires du projet européen EMRP AIM QuTE.

Publications et communications

 

THÉVENOT O., IMANALIEV A., DOUGDAG K. and PIQUEMAL F., “Progress report on the LNE Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191720.

CALLEGARO L. et al., “The EMPIR Project GIQS: Graphene impedance quantum standard”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191743.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, C.R. Physique, Académie des sciences, 2019, 20, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

THÉVENOT O., THUILLIER G. et PIQUEMAL F., “Mechanical improvements and investigations on the LNE new Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM-2018, juillet 2018, Paris, France, DOI : 10.1109/CPEM.2018.8501107.

THÉVENOT O., THUILLIER G., SINDJUI R., KHAN M.S., SÉRON O. and PIQUEMAL F., “Progress report on the determination of RK at LNE”, CPEM-2016, 10-15 July 2016, Ottawa, Canada, DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540714.

PIQUEMAL F., GOURNAY P. et THEVENOT O., Electrical determinations of the fine structure constant and impact on the SI”, Fundamental constants Meeting 2015 (IUPAP, Codata), 1-6 février 2015, Elteville, Allemagne.

SINDJUI R., THEVENOT O., GOURNAY P., THUILLIER G., SERON O., KHAN S. et PIQUEMAL F., Improvement of the measurement chain linking the farad to the ohm”, 17e Congrès international de métrologie (CIM), Paris, France, 21-24 septembre 2015, DOI: 10.1051/metrology/20150012003.

SINDJUI R., GOURNAY P., THEVENOT O. et Thuillier G., “Fabrication of a standard two-stage autotransformer at LNE”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898513.

THUILLIER G., THEVENOT O. et GOURNAY P., “Progress on the LNE calculable capacitor”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, IEEE, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898468.

GOURNAY P., THÉVENOT O. et THUILLIER G., “Progress on the LNE Thompson-Lampard capacitor project”, CPEM-2012, 1–6 juillet 2012, Washington DC, États-Unis, DOI: 10.1109/CPEM.2012.6250948.

GOURNAY P., THÉVENOT O., DUPONT L., DAVID J.-M. et PIQUEMAL F. “Toward a determination of the fine structure constant at LNE by means of a new Thompson-Lampard calculable capacitor”, Canadian Journal of Physics, 2011, 89, 1, 169-176, DOI: 10.1139/P10-066.

GOURNAY P. et al., “Progress on the von Klitzing constant determination at LNE”, CPEM-2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

GOURNAY P. et al., “Design of the new LNE calculable capacitor”, CPEM 2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

THEVENOT O. et al., “Realization of the new LNE Thompson-Lampard electrode set”, CPEM 2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

LAHOUSSE L., THÉVENOT O., GOURNAY P. et DAVID J., “Mechanical improvements for the new LNE calculable cross capacitor”, 9th International conference EUSPEN, San Sebastian, Espagne, 2-5 juin 2009.

CONSÉJO C., THÉVENOT O., LAHOUSSE L. PIQUEMAL F. et DAVID J.-M., “Improvements of the measurement chain for a determination of the von Klitzing constant RK”, IEEE Trans. Inst. Meas., 2009, 58, 902, DOI: 10.1109/TIM.2008.2008845.

THEVENOT O., CONSEJO C., BOUNOUH A., DAVID J.-M., CUQ M. et NOIRÉ P., “Toward a determination of RK at LNE with a new Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM-2008, juin 2008, Boulder, Etats-Unis.

THEVENOT O., LAHOUSSE L., CONSEJO C., DAVID J.-M., LELEU S., PIQUEMAL F., “Toward a determination of RK in term of the new LNE calculable cross capacitor”, VII Simposio Internacional de Metrología, 2008, Santiago de Querétaro, Mexique.

THEVENOT O., CONSEJO C., BOUNOUH A., DAVID J.-M., CUQ M. et NOIRÉ P., “A new apparatus for cylindricity measurement with uncertainty less than 25 nm”, EUSPEN 2007, 20-24 mai 2007, Brême, Allemagne.

THEVENOT O., CONSEJO C., LAHOUSSE L., LACUEILLE J.-C., DAVID J.-M. et LELEU S., “Development of a new calculable capacitor for a determination of the von Klitzing constant at an uncertainty of one part in 108”, International school quantum metrology and fundamental constants,1-12 oct. 2007, Les Houches, France.

THEVENOT O., CONSÉJO C., BOUNOUH A., LACUEILLE J.-C., DAVID J.-M., NOIRÉ P., CUQ M., DIOLEZ G. et ROUX T., “Application of the dissociated metrological structure for the cylindricity measurement of calculable cross-capacitor electrodes”, CPEM-2006, 9-14 juillet 2006, Turin, Italie.

Projets connexes

Projet européen Euramet/EMRP-2012 AIM QuTE, Automated impedance metrology extending the quantum toolbox for electricity

Projet européen Euramet/EMPIR-2019 GIQS, Graphene impedance quantum standard

Ce projet a pour but de réaliser l’ampère selon la nouvelle définition entrée en vigueur en 2019. L’idée est de construire un étalon quantique de courant électrique qui intègre un étalon quantique de résistance et un étalon quantique de tension pour réaliser directement la loi d’Ohm. L’objectif est également de disposer d’un étalon de courant programmable, facile à mettre en œuvre et directement exploitable pour assurer la traçabilité des étalonnages des laboratoires aux étalons nationaux.

Objectifs

Développer une traçabilité de l’ampère telle que définie dans le SI (26e CGPM 2018), à partir des étalons quantiques de résistance et de tension électrique, c’est-à-dire établir une relation directe entre l’étalon quantique de l’ampère et la charge élémentaire ;

Réaliser un générateur quantique de courant programmable (PQCG) et un ampèremètre quantique programmable (PQA) à partir d’un étalon quantique de courant programmable (PQCS), fondé sur l’application de la loi d’ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension en mettant en œuvre la technique de multiple connexion de l’EHQ et le comparateur de courant cryogénique ;

Réaliser et mesurer des courants de 1 μA à 10 mA, avec une incertitude inférieure à 1×10-8 en valeur relative, soit améliorer de deux ordres de grandeur les mesures déclarées jusque-là et générer des courants supérieurs de 106 à 107 fois ceux produits par des pompes à électrons.

Résumé et résultats

L’ampère est l’une des 7 unités de base du Système international d’unités, servant de référence aux mesures des grandeurs électriques. Depuis 1948, sa définition reliait l’unité aux unités mécaniques classiques (mètre, kilogramme et seconde). Avant le 20 mai 2019, la définition de l’ampère ne pouvait pas être réalisée (mise en pratique) avec le niveau d’incertitude requis pour les besoins de mesure. C’est pourquoi, en pratique, l’ampère était réalisé, depuis une trentaine d’années, en exploitant la loi d’Ohm appliquée à des étalons de tension et de résistance raccordés aux étalons quantiques obtenus par une mise en œuvre de l’effet Josephson et de l’effet Hall quantique, respectivement. Les meilleures incertitudes déclarées par les laboratoires nationaux de métrologie, dans la gamme 1 μA à 10 mA, étaient supérieures à 10-6 en valeur relative.

En 2018 les valeurs numériques de la constante de Planck h et de la charge élémentaire e dans le SI ayant été fixées, la constante de Josephson (KJet la constante de von Klitzing (RK) ont dès lors eu également des valeurs exactes (sans incertitude) puisque : KJ = 2e/h et RK = h/e2.

Le projet est né dans le contexte de cette évolution des définitions du SI et du besoin d’effectuer les mesures de référence au meilleur niveau métrologique. Et dès 2014 l’idée s’est concrétisée au LNE de développer une traçabilité directe de l’ampère à partir des étalons quantiques de résistance et de tension, soit d’établir une traçabilité au produit KJR, où l’étalon quantique de courant est la mise en pratique de la nouvelle définition de l’ampère fondée sur la charge élémentaire.

Le principe a été décrit en détail par Poirier et coll. en 2014 dans Journal of Applied Physics.

En pratique, la réalisation de cet étalon quantique de l’ampère s’appuie sur le développement d’un générateur quantique de courant programmable (PQCG) et d’un ampèremètre quantique programmable (PQA) à partir d’un étalon quantique de courant programmable (PQCS), fondé sur l’application de la loi d’Ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension en mettant en œuvre la technique de multiple connexion de l’EHQ et le comparateur de courants cryogénique.

L’incertitude visée, sur la réalisation et la mesure de courant dans la gamme allant de 1 μA à 10 mA, est inférieure à 1×10-8 en valeur relative. Associés au développement d’étalons de courant secondaires exploitables pour les étalonnages, le PQCG et le PQA constitueront les éléments primaires d’une nouvelle traçabilité de l’ampère qui, s’appuyant sur des étalons de résistance en graphène et de tension Josephson refroidis par des réfrigérateurs sans hélium, pourra être économe et pratique.

Le principe de l’étalon quantique de courant programmable (PQCS : Programmable Quantum Current Standard) est donc de réaliser un courant s’exprimant comme : I = nfJ / (RKJ), où est un entier représentant le numéro du plateau de Hall, nJ le nombre de jonctions Josephson et fJ est la fréquence Josephson, étalon qui conserve la précision quantique des étalons de tension et de résistance.

Il s’agit donc de mettre au point un circuit électrique original permettant d’appliquer, sans erreur, la loi d’Ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension qui reposent sur l’effet Hall quantique et l’effet Josephson. Les travaux sont menés également dans le cadre du projet collaboratif européen Euramet/EMPIR e-SI-Amp.

Dès 2016, les premiers essais de faisabilité du principe ont permis de générer des courants dont les intensités, de quelques microampères (µA) à un milliampère (mA), sont reliées à la charge élémentaire avec une incertitude relative de dix parties par milliard (soit 10-8). Les résultats ont été publiés en décembre 2016 par J. Brun-Picard et coll. dans la revue PRX de l’American Physical Society.

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Schéma réalisation ampère quantique
Fig.1 - Représentation schématique du principe de la première réalisation d’un étalon quantique de courant directement relié à la constante de Josephson et la constante de von Klitzing.

Le PQCG a été mis au point et son fonctionnement a été démontré. Sa précision a été vérifiée en opposant la chute de tension due au courant du PQCG à travers une résistance calibrée à la tension d'un autre PJVS utilisé comme référence. L'incertitude cible de 10-8 a été atteinte. Le PQCG a en effet permis l'étalonnage d'un ampèremètre du commerce sur les calibres de 10 mA à 1 µA avec des incertitudes inférieures à 3×10-7. Les résultats ont été publiés par J. Brun-Picard et coll. dans la revue PRX.

La nouvelle version du PQCG est en cours de conception et la fabrication d'instruments spécifiques a débuté. Un nouveau comparateur de courant cryogénique (CCC) destiné à la mise en œuvre de la triple connexion à l'étalon quantique de résistance est également en cours de réalisation.

De plus, dans le cadre du JRP e-SI-Amp, une comparaison avec un amplificateur de très faible courant (ULCA) fabriqué par la PTB a été effectuée pour un courant de 50 µA. Les résultats indiquent un accord à 3×10-7 (article de synthèse en préparation).

Impacts scientifiques et industriels

  • Réalisation de la définition de l’ampère de 2018, unité de base du SI, où les valeurs des constantes RK et KJ sont fixées respectivement à h/e2 et 2e/h, sous la forme d’un étalon quantique de courant programmable ;
  • Réalisation d’un étalon quantique de courant avec une incertitude de 1×10-8 ;
  • Utilisation d’un étalon de courant reproductible dans n’importe quel laboratoire, comparable avec des incertitudes grandement réduites ;
  • Ouverture vers de nouvelles applications de l’étalon de courant, comme la réalisation de ponts de comparaison d’étalons quantiques de résistance aussi précis et exact que le pont de Wheatstone EHQ ;
  • Exploitation du principe ou de l’étalon pour réaliser le triangle métrologique, en étalonnant les pompes à électrons des laboratoires nationaux ;
  • Amélioration de la dissémination des références électriques, avec un étalon de courant pratique, transportable et peu coûteux et réalisation d’un trio d’étalons quantiques pratiques (résistance, tension et courant).

Partenaires/Collaborations

  • NPL, National Physical Laboratory, United Kingdom
  • PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Germany
  • TUBITAK, Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu, Turkey
  • VTT, Teknologian tutkimuskeskus, Finland
  • Aalto, Aalto-korkeakoulusäätiö, Finland
  • CEA, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, France
  • UCAM, University of Cambridge, United Kingdom
  • UoS, University of Southampton, United Kingdom
  • KRISS, Korea Research Institute of Standards and Science, Republic of Korea

Publications et communications

Djordjevic S., Poirier W., Drung D., and Götz M., “Comparison of the programmable quantum current generator and an Ultrastable Low-Noise Current Amplifier”, CPEM 2020, 24-28 Aug. 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191863.

DJORDJEVIC S., POIRIER W., SCHOPFER F. et THÉVENOT O., « Les étalons électriques quantiques », Les reflets de la physique, SFP, 2019, 62, 25-28, DOI: 10.1051/refdp/201962011.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 2019, 20, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

AZIB J., BRUN-PICARD J., SCHOPFER F., POIRIER W. and DJORDJEVIC S., “Towards an improved programmable quantum current generator”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501115.

BRUN-PICARD J., « Une nouvelle génération d'étalons quantiques fondée sur l'effet Hall quantique », Thèse de doctorat de sciences, Université Paris-Saclay, Orsay, Spécialité : Physique, soutenue le 7 décembre 2018, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01973021v1.

BRUN-PICARD J., DAGHER R., MAILLY D., NACHAWATY A., JOUAULT B., MICHON A., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Quantum Hall resistance standard in Graphene grown by CVD on SiC: State-of-the-Art of the Experimental Mastery”, CPEM 2018, Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501087.

JECKELMANN B.and PIQUEMAL F., “The elementary charge for the definition and realization of the ampere”, Annalen der Physik, 2018, 531, 5, 1800389, DOI: 10.1002/andp.201800389.

POIRIER W., LEPRAT D., SCHOPFER F., “Towards 10-10 accurate resistance bridge at LNE”, CPEM 2018, Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501068.

BRUN-PICARD J., DJORDJEVIC S., LEPRAT D., SCHOPFER F. and POIRIER W., “Practical quantum realization of the Ampere from the elementary charge”, Physical Review X, 2016, 6, 041051, DOI: 10.1103/PhysRevX.6.041051.

BRUN-PICARD J., LEPRAT D., SCHOPFER F., DJORDJEVIC S.and POIRIER W., “Towards a programmable quantum current generator”, CPEM 2016, Ottawa, Canada, 10-15 July 2016, DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540625.

DRUNG D., KRAUSE C., GIBLIN S.P., DJORDJEVIC S., PIQUEMAL F., SÉRON O., RENGNEZ F., GÖTZ M., PESEL E. et SCHERER H., “Validation of the ultrastable low-noise current amplifier as travelling standard for small direct currents”, Metrologia, 2015, 52, 756-763, DOI: 10.1088/0026-1394/52/6/756.

POIRIER W., LAFONT F., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. et DEVOILLE L., “A programmable quantum current standard from the Josephson and the quantum Hall effects”, Journal of Applied Physics, 115, 2014, 044509, DOI: 10.1063/1.4863341.

SCHERER H., GIBLIN S.P., JEHL X., MANNINEN A., PIQUEMAL F. et RITCHIE D.A., “Introducing Joint Research Project « Quantum Ampere » for the realisation of the new SI ampere”, EPJ Web of Conferences, EDP Sciences, 2014, 77, 0004, DOI: 10.1051/epjconf/2014770004.

Projets connexes

Dans le domaine des mesures électriques, les mesures d'impédance jouent un rôle très important puisqu'elles sont largement utilisées dans différents domaines de la science et de l’ingénierie. Le rôle principal de la métrologie des impédances est la réalisation des unités d'impédance : l'ohm (Ω), le farad (F), le henry (H) et leurs échelles associées. Ces trois unités sont reliées les unes aux autres par l’intermédiaire de la seconde (s) : 1 Ω = 1 H/s = 1 s/F. Par conséquent, une unité peut être utilisée pour réaliser les deux autres en utilisant différents ponts de comparaison fonctionnant en courant alternatif. Les chaînes de traçabilité des mesures d’impédance, reliant l’étalon calculable de capacité ou l’étalon quantique de résistance, mettent en jeu une succession de comparaisons d’impédance réalisées actuellement au LNE à l’aide de ponts analogiques. Ce projet vise à simplifier ces longues chaînes de comparaison, à améliorer les incertitudes de mesure et à élargir les possibilités de mesure d’impédance en mettant en œuvre des ponts numériques de comparaison.

Objectifs

Développer des ponts d'impédance numériques pour réaliser et automatiser les mesures d'impédance sur l'ensemble du plan complexe, dans la gamme de fréquences comprise entre 60 Hz et 20 kHz et avec des incertitudes jamais atteintes pour ces mesures.

Dresser un état de l’art des ponts Josephson et tester la faisabilité d’un type d’architecture de pont numérique intégrant des dispositifs Josephson pour générer des rapports de tension.

Développer des étalons de capacité ultra stables à diélectrique en silice fondue de 1 pF à 1 000 pF.

Résumé et résultats

Les méthodes employées aujourd’hui au LNE pour assurer la traçabilité des mesures d’impédance au SI mettent en œuvre des ponts de comparaison à transformateurs. Ces systèmes sont complexes et ne permettent d’obtenir les meilleures incertitudes que pour un nombre restreint de valeurs et de natures d’impédance. Le développement de ponts numériques pour réaliser des échelles d'impédance utilisant comme point de départ l’impédance d’une résistance déterminée à partir d’une résistance étalonnée à partir de l’effet Hall quantique ou d’un condensateur dont la capacité aura été déterminée au moyen d’un condensateur calculable améliorera la chaîne de traçabilité, en termes d’accessibilité, de ressources et permettra d’élargir la gamme des impédances mesurées.

Ce projet vise à développer des ponts de comparaison en deux et quatre paires de bornes en collaboration avec le CMI (laboratoire national de métrologie de la République Tchèque), permettant de réaliser une chaine de traçabilité au SI des mesures d’impédance sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de Hz à quelques dizaines de kHz, pour tout type d’impédance. Ces nouveaux systèmes permettraient d’assurer la traçabilité des impédances au SI avec des incertitudes comparables voire meilleures dans certaines conditions que celles atteignables aujourd’hui avec les ponts à transformateur. Ces ponts numériques contenant la plupart des briques élémentaires d'un pont d'impédance quantique conçu sur la base de l’étalon de tension de Josephson, le projet permettra aussi de concevoir une architecture de pont quantique.

Par ailleurs, fort de l’expérience acquise dans la fabrication de condensateurs de très faibles valeurs de capacité, développés dans le cadre du projet européen Euramet/EMRP AimQuTE, de nouveaux étalons ultra stables à diélectrique en silice fondue de capacité de 10 pF à 1 nF vont être développés au cours de ce projet RNMF, en collaboration avec le BIPM, pour améliorer la chaîne de mesure permettant de relier le farad à l’ohm.

Impacts scientifiques et industriels

  • Existence d’une chaîne de traçabilité au SI de la mesure d’impédance à partir de l’effet Hall quantique sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de hertz à quelques dizaines de kilohertz ;
  • Réponse aux attentes des utilisateurs en matière de traçabilité des inductances, pour des valeurs de 1 µH à 1 mH de 40 Hz à 20 kHz (mesures limitées à 1 kHz actuellement) et ceci au meilleur niveau métrologique ;
  • Possibilité d’effectuer des étalonnages au LNE d’impédances électriques sur tout le plan complexe ;
  • Mise à disposition de condensateurs étalons ultra stables pour répondre aux besoins exprimés par de nombreux laboratoires nationaux de métrologie ;
  • Participation à plus long terme à la réalisation du multimètre quantique en disposant d’un pont quantique d’impédance conduisant au développement d’un étalon quantique d’impédance en synergie avec d’autres projets menés en métrologique électrique quantique comme le projet visant à exploiter les propriétés du graphène pour réaliser des étalons quantiques (cf projet du RNMF « Effet Hall quantique dans le graphène pour la métrologie »).

Publications et communications

Ralph SINDJUI, « Réalisation et caractérisation de dispositifs de mesure associés à la détermination de la constante de von Klitzing à partir d’un condensateur calculable étalon dit de Thompson-Lampard », Thèse de doctorat de sciences de l’Université Paris-Saclay, Versailles, Génie électrique et métrologie, soutenue le 1er juillet 2016, TEL-01480637v1.

G. Trapon, O. Thévenot, J.-C. Lacueille et W. Poirier, “Determination of the von Klitzing constant RK in terms of the BNM calculable capacitor - Fifteen years of investigations”, Metrologia, 2003, 40, 4, 159–171, DOI: 10.1088/0026-1394/40/4/304.

F. Delahaye, A. Fau, D. Dominguez et M. Bellon, “Absolute determination of the Farad and the Ohm, and measurement of the quantized Hall resistance RH(2) at LCIE”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 1987, vol. IM–36, 2, 205–207.

Partenaires

  • CMI, Institut national de métrologie de la République Tchèque)
  • Partenaires du projet européen JRP GIQS (Graphene Impedance Quantum Standard, 2019-2022).
  • BIPM

Projets connexes

  • EURAMET/EMPIR GIQS, Graphene Impedance Quantum Standards (JRP GIQS)
  • Projet RNMF « Étalon calculable de Thompson-Lampard »

Ce projet fait suite à la révision de 2018 du Système international d’unités (SI) qui favorise l’exploitation d’étalons quantiques pour la mise en pratique des unités et la dissémination des références de métrologie. Il s’inscrit dans le cadre des recherches menées au LNE sur le développement de l’étalon quantique de résistance électrique sur la base de l’effet Hall quantique (EHQ). Précisément il vise à fiabiliser les dispositifs en graphène pour la réalisation de cet étalon, après que la faisabilité a été démontrée au LNE en 2015. Les conditions expérimentales de mise en œuvre des dispositifs sont particulièrement étudiées, ainsi que leur stabilité et le contrôle de leurs propriétés en vue de faciliter leur utilisation en dehors des laboratoires de métrologie, d’étendre leur application à d’autres étalons électriques, notamment en courant alternatif, ou encore de les intégrer dans de nouveaux systèmes de mesure.

Ce projet concoure également aux recherches de nouvelles applications du graphène promises à d’importants développements industriels et à l’essor des technologies quantiques par le développement d’outils, fondés sur la mise en œuvre de l’effet Hall quantique dans des nanodispositifs, pour les mesures électriques ultimes (mesures de haute exactitude ou mesures d’électrons uniques, par exemple).

Objectifs

Poursuivre les études de l’effet Hall quantique dans le graphène pour fiabiliser les étalons quantiques de résistance électrique ;

Augmenter les connaissances fondamentales pour l’obtention de l’EHQ dans le graphène afin de faciliter encore davantage les conditions de mise en œuvre des étalons quantiques de résistance ;

Mettre en œuvre l’effet Hall quantique dans le graphène en régime de courant alternatif (AC) pour réaliser un étalon quantique d’impédance

Explorer la faisabilité de détecteurs d’électrons uniques sur la base de l’EHQ dans le graphène.

Résumé et résultats

La CGPM (Conférence générale des poids et mesures) a adopté, lors de sa 26e réunion, en novembre 2018, une révision majeure du Système international d’unités (SI), entrée en vigueur le 20 mai 2019. Cette révision renforce la position de la mécanique quantique parmi les fondements du système avec, notamment, la redéfinition du kilogramme à partir d’une valeur fixée de la constante de Planck et la redéfinition de l’ampère à partir d’une valeur fixée de la charge élémentaire. L’effet Hall quantique se trouve dès lors recommandé pour contribuer à la réalisation d’un certain nombre d’unités du SI (A, Ω, F, H, kg, par exemple). Par ailleurs, cette révision du SI intervient alors que les technologies quantiques, au sens large, connaissent un essor important. De nouvelles perspectives s’ouvrent donc et la métrologie, jusqu’à présent utilisatrice de technologies quantiques, pourrait apporter un soutien plus spécifique au développement de nouvelles technologies quantiques.

C’est dans ce contexte que ce projet a été élaboré avec l’objectif général de poursuivre l’exploitation de l’effet Hall quantique dans le graphène pour développer des outils de mesure : étalon quantique « pratique » pour la dissémination des unités du SI au meilleur niveau d’exactitude et détecteur d’électrons uniques pour les technologies quantiques.

Image
Structure couche de graphène
Fig.1 - Représentation de la structure moléculaire d’une couche de graphène.

Le graphène 2D est une monocouche d’atomes de carbone structurés en réseau cristallin hexagonal (en forme de nid d’abeille) qui présente en effet des propriétés physiques très avantageuses pour la simplification de la mise en œuvre de l’effet Hall quantique et pour la réalisation de circuits électroniques quantiques.

Ainsi, le LNE a pu démontrer en 2015, en étudiant des dispositifs en graphène de haute qualité, qu’il était possible de mettre en œuvre l’étalon de résistance à effet Hall quantique dans des conditions expérimentales significativement simplifiées (champ magnétique aussi faible que 3,5 T, température de 10 K ou encore courant de mesure de 0,5 mA) par rapport à celles requises par GaAs/AlGaAs (10 T, 1,5 K, 50 µA), tout en conservant une exactitude à 1×10-9 près (Nature Nanotechnology, 10, 965, 2015, 10.1038/nnano.2015.192).

Image
Barre de Hall lithographiée dans graphène sur SiC
Fig.2 - Image, obtenue par microscopie optique, d’une barre de Hall (de largeur 100 micromètres) lithographiée dans une couche de graphène sur SiC et munie de contacts métalliques à base d’or.

Sur la base de cet état de l’art, le projet a plusieurs objectifs spécifiques autour de l’étalon à effet Hall quantique. Il s’agit d’abord d’évaluer la possibilité de fiabiliser la technologie qui a permis d’atteindre les performances démontrées en 2015, en collaboration étroite avec les partenaires qui en sont à l’origine : le CRHEA pour la croissance de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de propane/hydrogène sur SiC et le C2N pour la nanofabrication des dispositifs. Le premier objectif est donc de permettre la production d’un nombre suffisant de dispositifs avec des performances répétables (quantification de la résistance de Hall à 1×10-9 près, à 5 T, 4 K, 50 µA), propres à une large dissémination de l’unité de résistance, l’ohm (Ω). Les principaux défis technologiques déjà identifiés sont le contrôle de la densité de porteurs, l’homogénéité de celle-ci et la mobilité des porteurs. Un second objectif concerne l’exploration de l’effet Hall quantique dans le graphène, au-delà de l’état de l’art, et notamment à très bas champ magnétique (1 T), pour une simplification encore plus grande de la mise en œuvre de l’étalon à effet Hall quantique. Des dispositifs en graphène encapsulé dans h-BN seront aussi étudiés à cette occasion. Un troisième objectif porte sur l’étude de l’effet Hall quantique dans le graphène en régime de courant alternatif AC, jusqu’à des fréquences de l’ordre du kHz, en vue d’améliorer la dissémination des unités d’impédance, à commencer par le farad (F).

Ces objectifs concourent à étendre l’utilisation de l’étalon à effet Hall quantique en facilitant sa mise en œuvre afin de le rendre accessible à un plus grand nombre d’utilisateurs et en l’intégrant dans des systèmes de mesure compacts afin d’élargir ses d’applications.

Partant de son expérience sur l’effet Hall quantique dans le graphène, le LNE étudiera aussi, dans le cadre de ce projet, le développement d’un détecteur d’électrons uniques fondé sur la rupture de l’effet Hall quantique. Ce détecteur est destiné à être intégré dans des circuits quantiques en graphène, développés par ailleurs, dans le cadre d’un projet européen. Ces circuits sont conçus pour la manipulation d’électrons uniques avec des techniques d’optique quantique électronique, dans la perspective du développement de différentes applications dans le domaine des technologies quantiques.

L’ensemble des développements technologiques prévus dans ce projet participeront aussi à l’effort global de recherche et d’innovation sur le matériau graphène.

Impacts scientifiques et industriels

  • Amélioration des performances de l’étalon quantique de résistance électrique et généralisation des étalons quantiques en métrologie électrique pour la mise en pratique du SI-2018, par une exploitation large de l’effet Hall quantique, notamment dans le graphène ;
  • Contribution au développement de techniques quantiques pour la métrologie et les capteurs de mesure ;
  • Soutien au développement de technologies émergentes exploitant les propriétés exceptionnelles du matériau graphène.

Publications et communications

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 2019, 20, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

JOUAULT B., SCHOPFER F. and POIRIER W., “Beauty of quantum transport in Graphene”, in Epitaxial Graphene on Silicon Carbide - Modeling, Characterization And Applications (Chapitre 7), Gemma Rius et Philippe Godignon, Jenny Stanford Publishing, 2018, ISBN 9789814774208.

SCHOPFER F., “Graphene for quantum electrical metrology and the revised International System of units SI”, ImagineNano/GraphIn 2018, Bilbao, Spain, 13-15 March 2018.

BRUN-PICARD J., DAGHER R., MAILLY D., NACHAWATY A., JOUAULT B., MICHON A., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Quantum Hall resistance standard in Graphene grown by CVD on SiC: State-of-the-Art of the Experimental Mastery”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501087.

LAFONT F., RIBEIRO-PALAU R., KAZAZIS D., MICHON A., COUTURAUD O., CONSEJO C., CHASSAGNE T., ZIELINSKI M., PORTAIL M., JOUAULT B., SCHOPFER F. et POIRIER W., Quantum Hall resistance standards from graphene grown by chemical vapour deposition on silicon carbide, Nature Communications, 6, 6806, 20 avril 2015, DOI: 10.1038/ncomms7806.

Ribeiro-Palau R., Lafont F., Brun-Picard J., Kazazis D., Michon A., Cheynis F., Couturaud O., Consejo C., Jouault B., Poirier W. et Schopfer F., Quantum Hall resistance standard in graphene devices under relaxed experimental conditions, Nature Nanotechnology, 10, 965-974, 7 sept. 2015, DOI: 10.1038/nnano.2015.192.

Partenaires/Collaborations

  • CNRS/C2N, CRHEA, L2C, Institut Néel, LPENS
  • CEA/SPEC, IRIG
  • Partenaires du projet français ANR GraphMet
  • Partenaires des projets européens EURAMET/EMPIR SEQUOIA et GIQS

Projets connexes

  • JRP EURAMET/EMRP-2012 GraphOhm, Quantum resistance metrology based on graphene
  • EURAMET/EMPIR-2017 SEQUOIA, Single electron quantum optics for for quantum-enhanced measurements
  • EURAMET/EMPIR-2018 GIQS, Graphene Impedance Quantum Standards
  • ANR 16-CE09-0016 GraphMet, Étalons quantiques en graphène pour les unités électriques du SI
  • European FET Flagships/ Graphene Flagship (2013-2023)

Ce projet porte sur les mesures de puissance moyenne de signaux électriques de haute fréquence (RF et micro-onde). Il vise à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance jusqu’à la bande de fréquences terahertz (170 GHz dans ce projet). Compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), le LNE souhaite développer des sondes de puissance HF, de technologie thermoélectrique, pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs d’étalonnage en puissance HF) qui sont développés également dans le cadre de ce projet.

Objectifs

Concevoir et mettre en œuvre de nouvelles sondes thermoélectriques de puissance adaptées aux connecteurs 1,85 mm [DC – 67 GHz] et aux guides d’onde rectangulaires [50 GHz – 170 GHz] ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux étalons primaires (microcalorimètres) ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux bancs de transfert de puissance HF (coaxial et guide d’onde rectangulaire) pour l’étalonnage sur la bande de fréquences du DC à 170 GHz ;

Améliorer les incertitudes de mesure de puissance HF et étendre les capacités de mesure sur un très large domaine de fréquence allant jusqu’à la bande térahertz.

Résumé et résultats

De nombreuses applications utilisent aujourd’hui des ondes électromagnétiques dans le domaine millimétrique du spectre (typiquement jusqu’à 100 GHz) et, de plus en plus, dans la bande térahertz des fréquences (typiquement de 100 GHz à 30 THz), par exemple le nouveau format de communication 5G en cours de déploiement, les portiques de sécurité mis en œuvre dans les gares ou les aéroports, les véhicules autonomes en phase de test ou les mesures de radiométrie spatiale.

Le niveau de puissance du signal de sortie d’un système ou d’un composant radiofréquence (RF) est un paramètre critique pour la phase de conception des équipements de communication et constitue un critère important pour la performance de ces équipements RF.

Pour mesurer cette puissance RF ou microonde, différents instruments sont employés : un analyseur vectoriel ou un wattmètre et sa sonde. Le wattmètre associé à sa sonde de puissance est l’instrument le plus exact utilisé dans l’industrie. Les sondes de puissance utilisées jusqu’à présent par les industriels ou organismes de recherche sont des sondes à diode, à thermocouple ou à thermistance qui transforment l’énergie RF en une tension DC mesurable avec les meilleures incertitudes.

Les laboratoires nationaux de métrologie étalonnent ces wattmètres et ces sondes qui permettent de mesurer la puissance moyenne du signal RF ; cette puissance mesurée inclut la puissance de la porteuse et des harmoniques. Actuellement les aptitudes de mesure et d’étalonnage ne s’étendent pas au-delà de 110 GHz en Europe, c’est-à-dire au tout début de la bande térahertz des fréquences. Cela est devenu insuffisant pour répondre aux besoins correspondant aux nouveaux usages des signaux HF en pleine expansion.

Image
Microcalorimètre, étalon de puissance HF
Fig.1 - Schéma d’un microcalorimètre, étalon primaire pour la mesure de puissance HF (la cuve d’eau n’est pas représentée).

Pour la mesure primaire de la puissance, le LNE a développé un microcalorimètre. C’est une enceinte thermique, isolée de l’extérieur, qui permet de mesurer des variations de température de l’ordre du millième de kelvin. Il est constitué, d’une cuve d’eau (tampon thermique, température stable et homogène), d’une ogive (protection des sondes de l’eau), thermocouples ou thermopile (pour mesurer l’échauffement entre la monture à étalonner et la tare), guide à parois minces (isolation thermique entre la sonde et les guides de liaison), guides de liaison (pour l’injection du signal HF).

Ce projet de recherche en métrologie vise donc à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance moyenne jusqu’à des fréquences térahertz (170 GHz). Et, compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes de puissance thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), ce projet implique la réalisation de nouvelles sondes de puissance HF fondée sur la technologie thermoélectrique pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs de transfert de puissance HF).

Impacts scientifiques et industriels

  • Réponses aux demandes croissantes d’étalonnage en puissance HF large bande en connecteur coaxial et globalement d’étalonnages dans la bande térahertz des fréquences ;
  • Réduction de la durée d’étalonnage des montures coaxiales large bande [DC - 67 GHz] ;
  • Extension des possibilités d’étalonnage en puissance HF en connectique coaxiale à 67 GHz (actuellement limitées à 50 GHz), en France et en Europe ;

  • Existence de nouveaux étalons primaires de puissances HF (microcalorimètres) et extension des possibilités d’étalonnage en guide d’onde à 170 GHz (actuellement 110 GHz), en France et en Europe ;

  • Amélioration des incertitudes d’étalonnage au plus haut niveau métrologique des montures en guide d’onde au-delà de 75 GHz ;

  • Simplification de la chaîne d’étalonnages avec une réduction du nombre annuel d’étalonnages nécessaires pour les montures coaxiales et du temps de mesure par fréquence avec le microcalorimètre, conduisant à une forte réduction du temps global d’étalonnage au plus haut niveau métrologique ;

  • De répondre à des demandes clients d’étalonnage en puissance dans le domaine térahertz.

Publications et communications

AHMAD S., CHARLES M., ALLAL D., NEGI P.S. and OJHA V.N., “Realization of 2.4mm coaxial microcalorimeter system as national standard of microwave power from 1 MHz to 50 GHz”, Measurement, 2018, 116, 106-113, DOI: 10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ALLAL D., BELIÈRES D., LITWIN A. et CHARLES M., « Développement d’un microcalorimètre sur ligne coaxiale de 2,4 mm et des sondes de puissance associées », Revue française de métrologie, 2014, 33, 3-8, DOI: 10.1051/rfm/2014001.

CHARLES M., LITWIN L., POLETAEFF A. et ALLAL D., « Étalon de puissance radiofréquence pour les basses fréquences de 100 kHz à 1 GHz », Revue française de métrologie, 2012, 29, 25–30, DOI: 10.1051/rfm/2012001.

KAZEMIPOUR A. ZIADÉ F., ALLAL D., JENU M.Z.M. et BERGEAULT E., “Non-linear modeling of RF thermistor: application to bolometer mount calibration”, IEEE Trans. on Instrumentation and measurement, 2011, 60, 7, 2445-2448, DOI:10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ZIADE F., BERGEAULT E., HUYART B. et KAZEMIPOUR A., “Realization of a calculable RF power standard in coplanar technology on Alumina substrate”, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, 2010, 58, 6, 1592-1598, DOI: 10.1109/TMTT.2010.2048256.

ZIADÉ F., BOURGHES M., KAZEMIPOUR A., BERGEAULT E. et ALLAL D., « Étalon calculable de puissance radiofréquence », Revue française de métrologie, 2009, 20, 3-8, RFM-20-Ziade.

Partenaires/Collaborations

  • PTB, Institut national de métrologie d’Allemagne
  • METAS, Institut national de métrologie de Suisse
  • Laboratoire GeePs de l’Ecole CentraleSupélec, Gif-sur-Yvette, France
  • Institut d'Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de Lille

Publication

THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., KARCHER R., IMANALIEV A., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., PIQUEMAL F. et ESPEL P., "A determination of the Planck constant using the LNE Kibble balance in air", Metrologia, 54, 2017, DOI: 10.1088/1681-7575/aa7882

 

Communications

BEAUDOUX F., PINOT P., ESPEL P., THOMAS M., SILVESTRI Z., ZIANE D. et PIQUEMAL F., « Dissémination en France de l’unité de masse après sa redéfinition », RFQM, Nantes, France, 27 - 30 mars 2017.

 

THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., PIQUEMAL F. et ESPEL P., "Planck constant determinations at LNE/CNAM", KBTM2017, Beijing, République populaire de Chine, octobre 2017.

 

Publications

PIQUEMAL F., "Present and future mass standards for the LNE watt balance and the future dissemination of the mass unit in France", Metrologia, 53, 2016, 1139-1153, DOI:10.1088/0026-1394/53/4/1139

PINOT P., ESPEL P., LIU Y., THOMAS M., ZIANE D., PALACIOS-RESTREPO M.-A. et PIQUEMAL F., "Static phase improvements in the LNE watt balance", Review of Scientific Instruments, 87, 2016, DOI: 10.1063/1.4964293

THOMAS M., ESPEL P., ZIANE D., PIQUEMAL F., PINOT P., JUNCAR P., SILVESTRI Z., PLIMMER M., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S. BEAUDOUX F., BENTOUATI D., BRUNET F., JEANJACQUOT P. et MADEC T., « Approche du LNE pour la réalisation et la mise en pratique du kilogramme dans sa nouvelle définition », Revue française de métrologie, 2017, 49-57, DOI: 10.1051/rfm/2016015

 

Communication

ESPEL P., THOMAS M., ZIANE D., PINOT P. et PIQUEMAL F., "Static Phase Improvements in the LNE watt balance", Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), Ottawa, Canada, , DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540579, 10-15 juillet 2016.

 

Résumé de la thèse

Le Système international d'unités (SI), fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié 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 son homologue 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 importants (I = 500 μA). Dans une optique 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 jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre.

Texte intégral

Consultez l'intégralité de la thèse : 

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01973021v1

Mots Clés

graphène, effet hall quantique, métrologie

Publications

ALLAL D., DJORDJEVIC S., GOLDFARB R. and LOMBARDI M., “Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 68, 2019, 6, 8712480, 1652, DOI: 10.1109/TIM.2019.2910405.

DJORDJEVIC S., POIRIER W., SCHOPFER F. et THÉVENOT O., « Les étalons électriques quantiques », Les reflets de la physique, SFP, 62, 2019, 25-28, DOI: 10.1051/refdp/201962011.

JECKELMANN B.and PIQUEMAL F., “The elementary charge for the definition and realization of the ampere”, Annalen der Physik, 531, 2019, 5, 1800389, DOI: 10.1002/andp.201800389.

LOUARN K., CLAVEAU Y., FONTAINE C., ARNOULT A., MARIGO-LOMBART L., MASSIOT I., PIQUEMAL F., BOUNOUH A., CAVASSILAS N. and ALMUNEAU G., “Thickness limitation of band to band tunnelling process in GaAsSb/InGaAs type II tunnel junctions designed for multi-junction solar cells”, ACS Applied energy materials, , 2, 2019. 2,1149-1154, DOI: 10.1021/acsaem.8b01700

OUAMEUR M., ZIADE F. and LE BIHAN Y., “Towards a calculable standard shunt for current measurements at 10 A and up to 1 MHz”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 6, 8586883, 2215-2222, DOI: 10.1109/TIM.2018.2884553.

OUAMEUR M., ZIADÉ F. and LE BIHAN Y., “Novel broadband calibration method of current shunts based on VNA, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 3, 854-863, DOI: 10.1109/TIM.2018.2855499.

PHAM BUI T.D, ALLAL D., ZIADÉ F. and BERGEAULT E., “On-wafer coplanar waveguide standards for S-parameter measurements of balanced circuits up to 40 GHz”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 6, 8699095, 2160-2167, DOI: 10.1109/TIM.2018.2884061.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 20, 2019, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

 

Communications

PIQUEMAL F., « Evolution du SI le 20 mai 2019 », Université de Strasbourg - SFP Alsace, 30 janvier 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., « Mesure de capacités par microscopie
micro-onde à champ proche (SMM) », 22e Forum des Microscopies à Sondes Locales, Carry-le-Rouet, France, 19-22 mars 2019.

ALLAL D., “Update on EMPIR 16NRM07 Vector SAR”, EURAMET TC-EM SC-RF&MW Experts meeting, Torrejón de Ardoz, Espagne, 9-10 avril 2019.

ALLAL D., MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., PIQUEMAL F. and ZIADÉ F., “EMPIR 16ENG06 ADVENT: Update on research activities : Results from SMM and power measurements”, EURAMET TC-EM SC-RF&MW Experts meeting, Torrejón de Ardoz, Espagne, 9-10 avril 2019.

MÉZIÈRES N., FUCHS B., LE COQ, LERAT J.-M., CONTRERES R. and LE FUR G., « Caractérisation Rapide d’Antennes par Utilisation des Harmoniques Sphériques Vectorielles », 21es Journées Nationales Micro-ondes (JNM 2019), Caen, France, 14-17 mai 2019.

PHAM BUI T.D., ALLAL D., ZIADÉ F. and BERGEAULT E., « Étalons coplanaires CCPW pour la mesure des paramètres S en mode mixte”, 21es Journées Nationales Micro-ondes (JNM 2019), Caen, France, 14-17 mai 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., Capacitance mapping at nanoscale by scanning microwave microscopy (SMM): Metrological aspects”, European Materials Research Society - Spring Meeting 2019, Symposium D: Advances in silicon-nanoelectronics, -nanostructures and high-efficiency Si-photovoltaics, Nice, France, 27-31 mai 2019.

AMARIPADATH D., ROCHE R., BRAUN J.P., JOSEPH-AUGUSTE L., ISTRATE D., FORTUNE D. and GAO F., “Design of a versatile waveform platform for supraharmonic testing and calibration”, 25th International conference and exhibition on electricity distribution (CIRED 2019), Madrid, Spain, 3-6 June 2019.

SCHOPFER F., « Un guide ISO pour l’élaboration des normes sur la mesure des propriétés du graphène et des matériaux 2D”, 8es Rencontres annuelles en Nanométrologie – Club nanométrologie, Paris, France, 17 juin 2019.

DJORDJEVIC S., Quantum current standard based on the Josephson effect and the quantum Hall effect”, Quantum and Precision Metrology (QPM 2019), Cracovie, Pologne, 17-19 Juin 2019.

ALLAL D., “European Project EMPIR 16NRM07 Vector SAR - SAR measurement using vector probes”, BioEM 2019, Montpellier, France, 23-28 juin 2019.

AGAZAR M., FORTUNÉ D., SAADEDDINE H., GARNACHO F. and ROVIRA J., Characterisation of High Voltage Dividers for X-ray Measurements”, 21st International Symposium on High Voltage Engineering (ISH2019 Conference), Proceedings: vol. 2, ISH, Budapest, Hongrie, 26-30 août 2019.

AMARIPADATH D., ROCHE R., AUGUSTE L.J., ISTRATE D., FORTUNÉ D., BRAUN J.-P. and GAO F., Measurement and Analysis of Supraharmonic Emissions in Smart Grids”, 54th International Universities Power Engineering Conference (UPEC 2019), Bucharest, Romania, 3-6 September 2019.

SCHOPFER F., FLEURENCE N., DELVALLÉE A., DUCOURTIEUX S., MORÁN J., PIQUEMAL F. and FELTIN N., Developing and providing reliable multi-disciplinary measurement methods for graphene and related materials”, 14th Graphene Week 2019, Helsinki, Finland, 23-27 September 2019.

PIQUEMAL F., « Evolution du SI le 20 mai 2019 », Université de Pau, 24 septembre 2019.

AGAZAR M., FORTUNÉ D., SAADEDDINE H., PERRILLAT D., ROBERT C. and CASTEIGNAU L., “Study of non-invasive instruments for the measurement of pulsed x-ray high voltage tube”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ALLAL D., EMPIR European project for validation of vector array SAR measurement systems”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ISTRATE D. and FORTUNÉ D., “Fictive power source for calibrations in railway systems”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

SAADEDDINE H., AGAZAR M. and FORTUNÉ D., New reference systems for the calibration of HV impulses at LNE”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ALLAL D. and ZIADÉ F., “Calibration of on chip microwave power sensors”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

ZIADÉ F., Key energy figures in ICT sector and main aspect of the top-down approach adopted in the European Project in Metrology ADVENT”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., Metrology for capacitance measurements using Scanning Microwave Microscope”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., A substitution method for capacitance calibration using scanning microwave microscopy”, 12th Seminar on Quantitative Microscopy (QM) and 8th Seminar on nanoscale Calibration Standards and Methods (Nanoscale 2019), Braunschweig, Germany, 15-16 October 2019.

ALLAL D., SAR measurement using vector probes and impact of Metrology on Standardization processes”, IEC TC 106 Meeting, Tokyo, Japan, 11-15 novembre 2019.

Résumé de la thèse

Mesurer des forts courants alternatifs sur une large bande de fréquences est primordial pour de nombreuses applications dont la surveillance du réseau de distribution électrique et le développement des véhicules électriques.

Dans le premier cas, la mesure du courant est nécessaire pour quantifier la qualité du réseau en présence d’harmoniques provenant des énergies renouvelables intermittentes dont le spectre en fréquences est assez large (plusieurs centaines de kilohertz). Dans le second cas, la mesure du courant (jusqu’à plusieurs dizaines d’ampères) intervient dans la quantification du rendement de la chaîne de traction d’un moteur électrique : dans la mesure du courant la prise en compte d’un grand nombre d’harmoniques (jusqu’à 1 MHz) est indispensable pour garantir une connaissance précise du rendement du moteur. Des résistances de faibles valeurs, appelées « shunt », sont alors indispensables pour mesurer des forts courants. Les shunts sont largement utilisés comme étalon de résistance dans les laboratoires de métrologie et les instruments de précision. Leur utilisation nécessite la connaissance préliminaire en fonction de la fréquence des deux paramètres suivants : déphasage de l’impédance du shunt ; variation relative du module de l’impédance du shunt par rapport à la sa valeur de sa résistance en courant continu, ce paramètre est appelé “écart de transposition”. Pour un niveau de courant de 10 A, l’impédance des shunts existants présente de fortes variations en module et phase pour les fréquences supérieures à 100 kHz. De plus, actuellement dans les laboratoires nationaux de métrologie, pour étalonner les shunts au-delà de 1 A les méthodes de mesure utilisées sont, d’une part, limitées en module à 100 kHz et en phase à 200 kHz, et d’autre part, elles donnent accès uniquement à un des deux paramètres : module ou phase de l’impédance du shunt.

Ce travail de thèse a pour objectif d’étendre jusqu’à 10 A et 1 MHz les possibilités d’étalonnage des capteurs de forts courant et d’améliorer ainsi la traçabilité des mesures en courant alternatif. Nous avons dans un premier temps développé un shunt étalon de 10 A dont la réponse électromagnétique (jusqu’à 10 MHz) et la réponse thermique sont entièrement calculables : à 1 MHz le déphasage et l’écart de transposition sont respectivement de -0,01 mrad et 15 ppm. Dans un second temps, nous avons mis au point une méthode d'étalonnage traçable permettant de mesurer les shunts jusqu’à 10 MHz. La méthode de mesure, basée sur l'utilisation d'un analyseur de réseau vectoriel, permet de mesurer simultanément l’écart de transposition et la phase de l'impédance d'un shunt avec des incertitudes relatives inférieures à 1×10⁻³ à 1 MHz.

Texte intégral

Consultez l'intégralité de la thèse :

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02035347

 

 

Mots clés

shunts de courant, étalonnage, mesure de courant, modélisation, incertitude