Afin d'établir un espace européen unique de chemin de fer, la Commission européenne a réglementé, en 2014, la mesure et la facturation de l'énergie électrique à travers deux spécifications techniques d'interopérabilité : celle relative au sous-système d’énergie et l'autre sur le matériel roulant. En 2019, les États membres doivent avoir mis en place un système de collecte de données pour une facturation sur la base du comptage d'énergie. Comme pour les réseaux de distribution et de transmission de l’énergie électrique en général, des systèmes de mesure caractérisés sont les outils essentiels pour la gestion « intelligente » de l'énergie consommée sur le réseau ferré.

Sachant que tous les trains roulant sur le réseau ferroviaire européen doivent payer l'énergie électrique sur la base de la consommation réelle, ce projet européen a été financé dans le cadre du programme EMPIR d’EURAMET pour développer les moyens et les méthodes de mesure traçable de l'énergie consommée. Sachant que les mesures seront réalisées dans des conditions difficiles tant du point de vue de la mise en œuvre (à bord des trains) que de la nature même des signaux électriques, par essence très perturbés.

Le projet européen a débuté en septembre 2017 pour se terminer début 2021. Le programme de travail avait été réparti entre les 16 partenaires et était coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet a été structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management du projet et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Étalonnage de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tensions AC et DC ;
• WP2 -   Méthode de mesure harmonisée et synchronisée de la puissance et de l’énergie et d’évaluation de la qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Outils de mesure et de simulation visant à soutenir la distribution de sous-stations réversibles (RSS) ;
• WP4 -   Procédures de mesure et scénarios modélisés pour quantifier le gain apporté par les stratégies de gestion de l'éco-conduite.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP MyRailS : site internet du JRP-MyRailS

Le laboratoire « Électricité basse fréquence » du LNE a été impliqué principalement dans le WP1 et le WP2 pour exécuter les actions suivantes :

• Développement d’un système de référence pour l’étalonnage en laboratoire de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tension alternative (AC) ;
• Étalonnage d’un EMF à bord des trains ;
• Constitution d’une base de données de formes d’ondes de test et de systèmes de mesures de puissance et d’énergie embarqués à bord des trains ;
• Implémentation d’une architecture de zone étendue pour la surveillance de la propagation de la puissance et de l’énergie.

La première action a été menée en tant que responsable et acteur majeur tandis que les trois dernières actions ont été une collaboration indirecte, par la mise en œuvre du système développé lors de la première action.

Au cours de ce JRP, le LNE a donc conçu et réalisé un banc d’étalonnage des systèmes de mesure d’énergie (EMS) utilisés à bord de trains et alimentés en courant alternatif. Plus précisément, ce système de référence, déplaçable dans les motrices des trains, comprend :

• une source fictive construite à partir d’un potentiel de 25 kV à 50 Hz et d’un courant sinusoïdal ou déformé pouvant atteindre 500 A en valeur efficace avec un contenu harmonique allant jusqu’à 5 kHz (1% de la composante fondamental) ;
• un système de mesure de référence constitué des capteurs étalon de tension ou de courant et des numériseurs de précision ;
• un logiciel de pilotage et de synchronisation des instruments d’acquisition, de traitement de données et de calcul des grandeurs électriques d’intérêt.

Le fonctionnement du banc d’étalonnage est conçu pour répondre à la norme NF EN 50463-2 qui fixe les exigences applicables à la fonction de mesure d’énergie d’un système EMS à utiliser à bord des trains.

En 2020, un système industriel de mesure d’énergie a pu être étalonné avec le banc réalisé.

Le LNE a contribué à la rédaction de la procédure d’étalonnage des systèmes de mesure de l'énergie utilisés dans les trains à courant alternatif, en collaboration avec le laboratoire espagnol LCOE qui a travaillé sur la génération des hautes tensions AC avec des harmoniques allant jusqu’à 5 kHz.

En 2021, l’étalonnage d’un système embarqué à bord d’une motrice (en collaboration avec le laboratoire LCOE) est testé. Les travaux réalisés au cours du JRP ont été présentés lors d’un séminaire de conclusion du projet fin janvier 2021. Le LNE a pu présenter ses résultats et des vues filmées du banc d’étalonnage réalisé au laboratoire.

Présentation du banc d'étalonnage réalisé au LNE :

• Industrie : Ce projet apportera de la fiabilité et de la précision dans la facturation de l’énergie consommée à bord des trains par le développement de références de mesure et de banc d’étalonnage spécifiquement adaptés aux mesures de l’énergie véhiculées par des signaux électriques très perturbés que sont les signaux d’alimentation des systèmes ferroviaires. De plus, le développement de bancs de test de CEM avec ces signaux spécifiques permettra d’augmenter la performance des systèmes embarqués. La possibilité de caractériser et de surveiller la qualité de l’énergie délivrée en temps réel permettra aux fabricants de sous-stations d’améliorer leurs systèmes d'alimentation ferroviaire en courant continu.
• Métrologie et communauté scientifique : Les résultats du projet permettront de disposer de nouvelles méthodes et moyens d'étalonnage adaptés aux transducteurs électroniques compacts à courant alternatif et continu utilisés dans des conditions ferroviaires difficiles. En plus de la fiabilité des instruments de mesure apportée par les étalonnages, un guide des conditions de conduite en situation d’économie d’énergie (éco-conduite) énergie complète l’impact du projet pour les utilisateurs finaux des systèmes ferroviaires.
• Réglementation/Normalisation : À l’issue de ce projet, le règlement (UE) n° 130/2014 de la Commission européenne concernant une spécification technique d'interopérabilité relative aux sous-systèmes "matériel roulant" - locomotives et matériel roulant voyageurs - du système ferroviaire pourra être mis en œuvre. Le consortium apportera ses connaissances techniques aux comités techniques de CEI/CENELEC spécialisés dans les mesures d'énergie à bord (TC9X, TC38 et TC85) ainsi qu’aux organisations de métrologie légale OIML (TC12) et WELMEC (WG11).
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet contribueront à la création d'un réseau ferroviaire moderne, compétitif et intégré. Cela est une priorité de l'UE, de développer un système de transport durable et un marché libre et compétitif. La maîtrise de l’énergie consommée et l’amélioration des systèmes électriques à bord des trains, à l’échelle paneuropéenne, permettra de réduire significativement la consommation d'énergie et, par conséquent, les émissions de dioxyde de carbone.

Istrate D., “Laboratory calibration of EMF working under AC supply – LNE contribution since month 18”, 3rd annual JRP MyRailS meeting, December 2020, Madrid, Spain.

Istrate D., Soccalingame S., Fortune D., Rovira J., Garnacho F., Sira M., “Laboratory calibration of energy measurement systems (EMS) under AC distorted waveforms”, MDPI Sensors, Special Issue Advanced Transducers and  Systems for Voltage and Current Measurement, Nov. 2020, 20, 6301, DOI: 10.3390/s20216301.

Garnacho F., Rovira J., Khamlichi A., Simón P., García T., Istrate D., “Calibration set-up for energy measuring systems installed in AC railway systems”, I2MTC 2020, IEEE International Instrumentation & Measurement Technology Conference, 25-28 May 2020, Valamar Lacroma, Dubrovnik, Croatia.

Giordano D., Clarkson P., Garnacho F., van den Brom H.E., Donadio L., Fernandez-Cardador A., Filippini N., Gallo D., Istrate D., De Santiago Laporte A., Mariscotti A., Mester C., Navarro N., Porzio M., Roscoe A., Šíra M., “Accurate Measurements of Energy, Efficiency and Power Quality in the Electric Railway system”, CPEM 2018, 8-13 July 2018, Paris, France. DOI: 10.1109/CPEM.2018.8500811.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 16 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• FII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• LNE, France
• NPL, Royaume-Uni
• VSL, Pays-Bas
• Universidad Pontificia Comillas, Espagne
• HRI (Hitachi Rail), Italie
• Metro de Madrid, Espagne
• RFI (Rete Ferroviaria Italiana), Italie
• Railenium, France
• University of Strathclyde, Royaume-Uni
• Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli, Italie
• Trenitalia, Italie
• ASTM (Analysis, Simulation, Test and Measurement), Suisse
• METAS, Suisse

Les transformateurs (courant et tension) sont des éléments de base pour les mesures de la qualité de l’énergie sur les réseaux électriques. Ces instruments de mesure sont bien normalisés pour la fréquence fondamentale mais il n’existe pas de paramètres définis pour les fréquences supérieures, comme les composantes harmoniques de courant et de tension. Ce projet vise alors à répondre aux besoins spécifiques exprimés par le comité de normalisation CEI-TC38 « Transformateurs d’instruments », en définissant les paramètres spécifiques à mesurer pour évaluer leur performance à ces fréquences, c’est-à-dire pour des signaux distordus avec un contenu fréquentiel allant jusqu’à 9 kHz.

Le premier objectif de ce projet est alors de fournir des systèmes de mesure adaptés aux conditions réelles de fonctionnement, des procédures d’évaluation de leurs performances et des ordres de grandeurs d’incertitude de mesure de ces paramètres.

Face à ces nouvelles exigences, les laboratoires nationaux de métrologie doivent d’abord adapter leurs systèmes de référence pour effectuer des mesures exactes et traçables au Système international d’unités sur une bande de fréquences allant de la fréquence fondamentale et jusqu’à 9 kHz.

Le LNE va, dans le cadre de cette étude, adapter son système de mesure à échantillonnage qui est actuellement apte à prendre en compte des signaux à une fréquence fondamentale de 1 kHz. Tout d’abord, il est nécessaire de développer un nouvel algorithme pour la mesure des signaux distordus en utilisant la technique de la transformation de Fourier rapide, puis de caractériser un diviseur capacitif de référence adapter aux tensions allant jusqu’à 30 kV. Pour le besoin de l’étude, le LNE va concevoir un système de génération de signaux distordus en utilisant un amplificateur de puissance associé à un transformateur élévateur.

Le second objectif du projet est de fournir au comité de normalisation CEI-TC38 des procédures techniques pour évaluer la performance des transformateurs de mesure en présence de plusieurs facteurs d’influence (température, charge, vibration, phase, champ magnétique, etc.). Pour contribuer à l’atteinte de ces objectifs, le LNE va étudier l’influence combinée de la température et de la vibration sur l’étalonnage d’un transformateur de tension et en présence de signaux distordus. Le LNE effectuera des mesures suivant la procédure choisie et en faisant varier à la fois la température et les vibrations. Le but étant de fournir des indicateurs de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs d’influence et en présence de signaux distordus.

À l’issue des mesures effectuées par tous les partenaires, le LNE effectuera la synthèse des résultats afin de proposer un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs d’influence.

Le projet a débuté en août 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 11 partenaires et est coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Incertitudes limites des transformateurs de tension et de courant ;
• WP2 -   Méthodes de mesure et systèmes de référence pour les indices de qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Performance des transformateurs dans différentes conditions de mesure.

Le LNE participe aux lots WP2 et WP3 pour :

• mettre en place un système de mesure du rapport et du déphasage des signaux issus de deux transformateurs (étalon et inconnu) ; il sera utilisé pour caractériser les systèmes des partenaires ;
• rédiger un guide de bonnes pratiques pour l’étalonnage des transformateurs en présence de signaux distordus dans le milieu industriel ;
• étudier l’influence combinée (température et vibration) dans l’étalonnage d’un transformateur de tension et de la présence de signaux distordus : adaptation de son système de génération et de son système de référence suivant la nature de signaux distordus sélectionnés, mesures expérimentales suivant la procédure choisie en variant à la fois la température et les vibrations. Le but est de fournir des paramètres de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs et en présence de signaux distordus qui feront l’objet d’un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs influents.

• Industrie : Ce projet apportera un soutien aux fabricants de transformateurs ainsi qu’aux opérateurs d’énergie électrique en permettant de se référer à méthodes reconnues (qui auront obtenues un consensus) pour l’évaluation des performances des instruments utilisés pour les mesures de qualité de l’énergie électrique. De plus les autorités de contrôle pourront de référer à des mesures fiables et traçables de l’efficacité de ces instruments, dans l’intérêt des consommateurs et d’une concurrence loyale.
• Métrologie et communauté scientifique : Le projet permettra à cette communauté de bénéficier de nouvelles possibilités de mesure et de test de la plupart des transformateurs (courant/tension, inductif/faible puissance, sortie analogique/numérique) dans les conditions de mesure de la qualité de l’énergie. Cela impliquera la mise aux point de nouvelles références de mesure et fournira des données d’entrée pour le contrôle « intelligent » des réseaux électriques instrumentés (smart grids).
• Normalisation : Ce projet aura un impact majeur sur les travaux de normalisation du CEN-CENELEC ou de la CEI. Les normes visées sont celles traitées par le comité technique CEI-TC38. Ce JRP créera des liens continus entre les partenaires du JRP et les membres des comités de normalisation, favorisant les échanges et les retombées pertinentes pour les utilisateurs.
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet apporteront plus de fiabilité dans la qualité de l’énergie électrique distribuée, au bénéfice de toute la société, puisqu’elle a un impact direct sur le fonctionnement des appareils électriques. De plus, la connaissance de la qualité de l’énergie avec les incertitudes de mesure plus faibles, conduira de fait à une meilleure connaissance de la qualité de l’énergie et permettra d’intervenir plus facilement et rapidement pour corriger d’éventuelles défaillances et sera d’une grande aide à la prévention de coupure générale d’alimentation. De plus, des incertitudes de mesure donnent plus de fiabilité aux expertises judiciaires effectuées pour évaluer des responsabilités en cas de dysfonctionnement d’installations ou d’appareils électriques.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 11 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• LNE, France
• PTB (Technische Universitaet Braunschweig), Allemagne
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• VSL, Pays-Bas
• RSE (Ricerca sul Sistema Energetico), Italie
• SUN (Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli), Italie
• TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
• UNIBO (Alma mater studiorum Università di Bologna), Italie
• SASO-NMCC (Saudi Standards, Metrology and Quality Organization), Arabie Saoudite

L’organisme de normalisation CEI, et particulièrement le comité technique TC38 “Instrument transformers”, est le bénéficiaire principal de ce JRP.

La demande croissante en énergie électrique ainsi que l’intégration croissante d’énergie d’origine renouvelable sur le réseau ont conduit à transmettre l’électricité en Europe sous la forme de haute tension à des niveaux plus élevés encore, afin de maintenir ou d’améliorer l’efficacité du réseau de transmission électrique. Par conséquent, les tests et la surveillance de la haute tension, au-delà des niveaux de tension couverts actuellement par les infrastructures de métrologie, sont nécessaires pour garantir la disponibilité et la qualité de l'approvisionnement.

Actuellement, il n’y a pas de possibilités de mesures traçables au SI pour les tensions continues au-delà de 1000 kV. Ce projet vise donc à étendre les capacités d’étalonnage des laboratoires nationaux de métrologie par la création d’une infrastructure de métrologie dans quatre domaines critiques : mesures fiables et traçables des impulsions de foudre au-dessus de 2 500 kV, traçabilité étendue des mesures en régime continu de courant de l'ultra-haute tension (CCHT) jusqu'au moins 1 600 kV, amélioration de la traçabilité du courant alternatif à haute tension (CCHT) par la détermination de la linéarité des condensateurs HT jusqu'à 800 kV, développement de techniques de mesure des décharges partielles pour les essais d'équipements soumis à une haute tension continue (CCHT).

Le projet a débuté en juin 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 11 partenaires, dont 7 laboratoires d’EURAMET et 4 laboratoires ou sociétés externes. Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Tests et étalonnages en très haute tension continue UHV-DC ;
• WP2 -   Étalonnages en chocs de foudre pour les essais d’équipements en UHV ;
• WP3 -   Détermination de la linéarité en tension des transformateurs et diviseurs ;
• WP4 -   Développement de méthode pour le contrôle des réseaux HV continue notamment par la détection et la localisation des décharges partielles ;

Le LNE participe aux lots :

• WP1, pour développer un diviseur de tension continue (HVDC) de 2 MV composé de cinq modules de 400 kV, en collaboration avec les partenaires européens. Chacun des diviseurs seront caractérisés indépendamment avant d’être assemblés puis caractérisés pour atteindre la tension de 2 000 kV avec des incertitudes de 200 µV/V ;
• WP2, pour caractériser, avec l’aide des partenaires, les impulsions de tension de choc de foudre (simulateurs et mesures) afin d’étudier les oscillations des signaux présentes et éventuellement d’en corriger leurs effets ; des données de mesure pourront être fournies au comité de normalisation TC42 ;
• WP3, pour la conception d’un condensateur HT de 800 kV avec les meilleures linéarités en tension (objectif de 10 μV/V), en collaboration avec un industriel français (Vettiner).

Ce JRP complète les travaux du LNE déjà entrepris en métrologie électrique des hautes tensions, étendre et améliorer les étalonnages à très haute tension continue et alternative et les mesures d'impulsions très courtes de tension, notamment dans le cadre des projets « Traçabilité des hautes tensions impulsionnelles » ou « Impulsions nanosecondes de tension jusqu’à 500 kV ». 

Pour obtenir plus d'informations sur le projet JRP EMPIR FutureEnergy: https://www.ptb.de/empir2020/futureenergy/home/

• Industrie : Ce projet a eu le soutien de 15 industriels, allant du fournisseur d’énergie au laboratoire d’étalonnage en passant par les fabricants d’instruments de mesure ou de composants adaptés à la haute tension. Ils attendent un soutien de la métrologie pour le développement industriel de composants associés à la transmission de l’énergie électrique aussi bien sur des réseaux à courant continu qu’alternatif. Cela sera apporté par des possibilités de mesure et de caractérisation traçables au SI pour tester les performances des composants fabriqués, tels que des réacteurs, transformateurs, isolateurs, câbles, ou pour assurer le suivi de la qualité des signaux véhiculés ainsi qu’éventuellement en corriger les déformations.
• Métrologie et communauté scientifique : Le projet permettra à cette communauté de bénéficier de nouvelles possibilités de mesure et de test des composants électriques pour les très hautes tensions. ;
• Normalisation : Ce projet aura un impact majeur sur les travaux de normalisation de différents comités du CEN-CENELEC ou de groupes de travail de la CEI. Les normes visées sont celles traitées par les comités CEI-60060, CEI-60270 et CEI-61869, ainsi que les normes élaborées par les comités techniques CEI-TC38 et TC-42. D'autres organismes de normalisation et de pré-normalisation pourront en bénéficier : le TC-115, le TC-122, le TC-22F, et le CIGRE SC-D1 et les groupes de travail D1.63 et D1.66. Par exemple, en matière de décharge partielle en courant continu, traité par le groupe du CIGRE D1.63, les données issues du projet pourront faire évoluer la norme CEI-60270 ou même conduire à une nouvelle norme ; de même la norme CEI 60060-2 sur mesures de paramètres de temps des impulsions pourrait évoluer avec la prise en compte des impulsions de type chocs de foudre.
• Économie/Société/environnement : Les progrès apportés par ce projet permettront d’améliorer la stabilité et l'exploitation du réseau, afin de garantir un approvisionnement énergétique durable et abordable en Europe. Les lignes de transmission électrique (entre les zones de production et les différents réseaux de distribution électrique) pourront être plus performantes du point de vue des pertes d'énergie sur de longues distances, par l’augmentation des valeurs de tension de transmission, ce qui conduit à terme à une réduction du coût de l’énergie électrique et une réduction de l'impact environnemental de l’infrastructure électrique. L'objectif premier de ce projet est bien de contribuer à la réduction des pertes sur le réseau européen et de préparer un futur réseau de transmission à très haute tension, stable. Cela a un impact direct sur la compétitivité de l'industrie européenne de l'électricité sur le marché international, entraînant des emplois supplémentaires, par la fourniture d’équipements de haute qualité et de grande fiabilité.

Le projet européen (JRP) est coordonné par le RISE (Suède) et réunit 11 partenaires :

• RISE (Research Institutes of Sweden), Suède
• FFII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• LNE, France
• PTB (Technische Universitaet Braunschweig), Allemagne
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• CMI, République tchèque
• VSL, Pays-Bas
• VTT (Teknologian tutkimuskeskus), Finlande
• TAU (Tampereen korkeakoulusäätiö), Finlande
• TU Delft (Technische Universiteit Delft), Pays-Bas
• UPM (Universidad Poltécnica de Madrid), Espagne
• Société APPAREILS VETTIVER, France

Ce projet (MetroSMM) porte sur les techniques de mesure par microscopie en champ proche adaptée aux mesures locales de grandeurs électriques à l’échelle nanométrique, communément appelé microscopie à sonde locale électrique (eSPM). En particulier, le microscope à sonde locale micro-onde (SMM - Scanning Microwave Microscope) permet la mesure d’impédance complexe à haute fréquence. Le SMM est un microscope à force atomique (AFM) associé à un analyseur de réseau vectoriel (VNA - Vector Network Analyser). Globalement, elle consiste en un balayage d’une pointe conductrice sur la surface d’un échantillon permettant d’appliquer un signal électrique micro-onde (jusqu’à 20 GHz) entre la pointe et la surface. À l’issue du balayage, deux informations sont obtenues simultanément : la topographie et une cartographie de propriétés électriques diverses telles que l’impédance, la capacité (de l’ordre de l’attofarad), la conductance et la permittivité du matériau testé. L’avantage de l’utilisation d’un signal de très haute fréquence est la possibilité d’explorer le matériau plus en profondeur et de détecter des défauts de structure par exemple.

Le projet a pour objectif le développement d’outils métrologiques pour les microscopes à sonde locale micro-onde SMM couramment utilisés pour les mesures locales d’impédance aux petites échelles. Le SMM permet de connaître les comportements des matériaux entre 0,5 GHz et 20 GHz et d’en déduire une cartographie d’impédance complexe. Le SMM est un des instruments de la plateforme NAEL du LNE consacrée à la caractérisation métrologique à l’échelle nanométrique de propriétés électriques des matériaux. Les outils développés dans ce projet seront technologiques (fabrication de pointes blindées, fabrication de structures de référence, mise en œuvre d’un système interférométrique) et méthodologiques (mise au point de méthodes d’étalonnage, étude des modèles de mesure avec analyse des paramètres d’influence et des incertitudes de mesure). Le projet vise à réduire les incertitudes de mesure locale de capacité à quelques centièmes, dans des conditions optimales, pour des valeurs d’une centaine d’attofarads à une dizaine de femtofarads.

La méthode de mesure d’une capacité à l’aide d’un SMM est en cours d’étude afin d’analyser et quantifier les paramètres qui influencent les résultats de mesure : position de la pointe, présence d’humidité, type de pointes de mesure... Des nanostructures sont fabriquées spécifiquement par des partenaires et caractérisées dans le cadre de ce projet pour devenir des références de capacité. De nombreuses mesures sont effectuées pour mettre en évidence les difficultés de mesure et évaluer les incertitudes de mesure liées aux méthodes, instruments et références de mesure.

• Membres du Club Nanométrologie, notamment les fabricants et utilisateurs d’instruments de mesure de SMM
• Partenaires du projet Européen Euramet/ EMPIR Advent
• Partenaires du projet Européen Euramet/ EMPIR NanoWires
• Instituts nationaux de métrologie européens : METAS, PTB, CMI, NPL, VSL, DFM, GUM, INRIM, Aalto, BAM...
• CEA/Leti
• IEMN de Lille
• CNRS/C2N, CNRS/INL, CNRS/LAAS, CNRS/GeePs, LPICM...
• Société CSI

Morán-Meza J., Delvallée A., Allal D. and Piquemal F., “A substitution method for capacitance calibration using scanning microwave microscopy”, NanoScale2019, 12th Seminar on Quantitative Microscopy (QM) & 8th Seminar on nanoscale Calibration Standards and Methods, 15-16 Oct. 2019, Braunschweig, Germany, Meas. Sci. Technol., 2020, 31, 074009, DOI : 10.1088/1361-6501/ab82c1.

Morán-Meza J., Delvallée A., Allal D., Piquemal F., Mesures de capacités par microscopie micro-onde à champ proche (SMM), 22^e Forum des microscopies à sondes locales, 19-22 mars 2019, Carry-le-Rouet.

PIQUEMAL F., JECKELMANN B., CALLEGARO L., HÄLLSTRÖM J., JANSSEN T.J.B.M., MELCHER J., RIETVELD G., SIEGNER U., WRIGHT P. and ZEIER M., “Metrology in Electricity and Magnetism: EURAMET activities today and tomorrow”, Metrologia, 2017, 54, R1–R24, 10.1088/1681-7575/aa7cae.

GAUTIER B., CHRÉTIEN P., AGUIR K., HOUZÉ F., SCHNEEGANS O., HOFFMANN J., CHEVALIER N., BOROWIK L., DERESMES D., GOURNAY P., MAILLOT P. et PIQUEMAL F., « Techniques de mesure de grandeurs électriques adaptées aux nano-circuits », Tech. de l’Ingénieur, déc. 2016, R1084 v1.

• Progrès dans les développements de nouveaux matériaux et de nouvelles structures microélectroniques par la capacité à maîtriser leurs caractéristiques thermiques et électriques aux échelles nanométriques, en phase de synthèse et d’intégration dans des systèmes complexes ;
• Développements attendus de nouvelles applications sur la base de nouveaux matériaux comme le graphène 2D, par une meilleure connaissance de leurs propriétés mesurées à l’échelle locale et in situ ;
• Ouverture d’un champ nouveau pour la métrologie électrique en créant les outils métrologiques spécifiques, méthodes de mesure, étalons, moyens d’étalonnage et de caractérisation, assurant la traçabilité aux SI des mesures électriques réalisées à ces échelles micro- et nanométriques.

• Projet européen Euramet/EMPIR-2016 Advent, “Metrology for advanced energy-saving technology in next-generation electronics applications”. http://projects.lne.eu/jrp-advent/
• « Graphen Flagship », Future and Emerging Technology (FET) Flagship du Programme européen de recherche financé par la Commission Européenne. https://graphene-flagship.eu/project/Pages/default.aspx
• Un nouveau projet européen connexe à cette thématique a été accepté fin 2020. Il s’agit d’un JRP du programme EMPIR-2020 d’Euramet. Ce JRP Elena « Electrical nanoscale metrology in industry » sera coordonné par le LNE.
• Projet européen Euramet/EMPIR-2019 NanoWires, “High throughput metrology for nanowire energy harvesting devices”. https://www.ptb.de/empir2020/nanowires/

La collecte d'énergie à partir de sources renouvelables (solaire, chaleur et mouvement) est une solution de premier plan pour créer de petites quantités d'énergie électrique dans des zones difficiles d'accès, et les dispositifs de récupération d'énergie apparaissent comme essentiels dans la problématique mondiale d’une meilleure gestion de l’énergie.

Les systèmes de récupération d'énergie à base de nanofils (NW) sont déjà très performants mais, en raison de la dimension nanométrique (nm) des fils et de la grande taille (mètre carré) des dispositifs, ils restent difficiles à tester et à caractériser. Les propriétés globales des dispositifs sont mesurables mais il reste impossible de faire un lien entre les caractéristiques et performances de chaque nanofils et celles du dispositif dans son ensemble. Ce projet vise donc à développer une métrologie fiable et rapide pour qualifier et contrôler les systèmes de récupération d'énergie constitués de nanofils (semiconducteurs).

Le projet a débuté en septembre 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 17 partenaires, dont 7 laboratoires d’EURAMET et 10 laboratoires externes. Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

WP1 - Caractérisation nanodimensionnelle des nanofils (NW),
WP2 - Caractérisation nanoélectrique de cellules solaires à base de nanofils,
WP3 - Méthodes de mesure nanomécanique,
WP4 - Imagerie thermique des surfaces de dispositifs à base de nanofils,
WP5 - Création d’impact,
WP6 - Management et coordination.

Le LNE participe à tous les lots de travail technique et coordonne le lot relatif à la caractérisation traçable au SI des propriétés électriques des nanofils (semi-conducteurs) constitutifs de cellules solaires. Trois équipes du LNE sont engagées dans ce projet : métrologie électrique, métrologie nano-dimensionnelle et métrologie des propriétés thermiques des matériaux.

Concernant la métrologie électrique, ce JRP complète les travaux du LNE entrepris en métrologie électrique à l'échelle nanométrique menés notamment dans le cadre du projet MetroSMM. 

Pour obtenir plus d'informations sur le projet "JRP NanoWires" : site internet du JRP https://www.ptb.de/empir2020/nanowires/

• Industrialisation : Possibilité de mesurer rapidement et simultanément plusieurs caractéristiques des dispositifs fabriqués (dimensions géométriques, propriétés électriques, thermiques et mécaniques des nanomatériaux) donnant accès au contrôle qualité de la performance des dispositifs de récupération d’énergie ; La métrologie à haut débit appliquée au contrôle de la qualité des dispositifs innovants de collecte et de stockage de l'énergie améliorera considérablement la compétitivité des industries manufacturières européennes des semi-conducteurs et de l'énergie.
• Connaissances scientifiques : Accès aux principales spécifications géométriques des NW ayant des rapports de proportion géométrique élevés, contribuant à l'évolution des nanomatériaux et de la nanométrologie ;
• Normalisation : Transfert des résultats métrologiques sur les cellules solaires à ondes naturelles vers les comités de normalisation (comité technique 113 de la CEI "Nanotechnologie pour les produits et systèmes électrotechniques" et comité technique 82 de la CEI "Systèmes d'énergie solaire photovoltaïque") pour favoriser la création de nouvelles normes ; possibilité de créer de nouvelles normes de mesure par la diffusion de guides de bonnes pratiques aux comités techniques CEI TC 47 « Dispositifs à semi-conducteurs », au comité technique ISO TC 164 « Essais mécaniques des métaux » et au comité technique allemand VDI/VDE-GMA 3.41 « Technologie de mesure des surfaces dans le domaine des micro et nanomètres » ;
• Société/environnement : Possibilité d’effectuer des contrôles de la qualité des dispositifs nouvellement développés pour la collecte ou le stockage d'énergie et, par conséquent, promotion et accélération du développement de ces nouvelles nanotechnologies pour l'industrie des énergies renouvelables ; participation à l’implication de l'Europe pour limiter le changement climatique induit par les activités humaines.

Le projet européen (JRP) est coordonné par le PTB (Allemagne) et réunit 17 partenaires dont 6 français :

• PTB et Technische Universitaet Braunschweig (TUBS), Allemagne
• CMI, République tchèque
• DFM, Danemark
• GUM et Politechnika Wrocławska (PWR), Pologne
• INRIM, Italie
• LNE, CNRS-UPS/C2N et GEEPS, INL/ECL, LPICM et Concept Scientifique Instruments (CSI), France
• VSL, Pays-Bas
• Aalto, Finlande
• Electrosciences Limited (ELECTRO), Royaume-Uni
• GETec Microscopy (GET), Autriche
• College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin (TCD), Irlande
• Universidad Autonoma de Barcelona (UAB), Espagne

L’objectif initial de ce projet était la mesure directe de la constante phénoménologique de von Klitzing R_K en unités SI par application du théorème de Lampard. Avant 2017, cette détermination permettait de valider l’égalité théorique de R_K et du rapport h /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 h /e² = μ₀·c /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 R_K, l’incertitude avec laquelle est vérifiée l’égalité R_K = h /e² correspond principalement à l’incertitude sur la détermination de R_K. 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 R_K = h /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 R_K, 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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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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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. 9^e 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.

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

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

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.

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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 R_K”, 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 R_K 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.

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

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 (K_J) et la constante de von Klitzing (R_K) ont dès lors eu également des valeurs exactes (sans incertitude) puisque : K_J = 2e/h et R_K = 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 K_JR_K , 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 = i n_J f_J / (R_K K_J), où i est un entier représentant le numéro du plateau de Hall, n_J le nombre de jonctions Josephson et f_J 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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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).

• Réalisation de la définition de l’ampère de 2018, unité de base du SI, où les valeurs des constantes R_K et K_J 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).

• 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

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.

• JRP Euramet/EMPIR-2015 e-SI-Amp, Quantum realisation of the SI ampere
• JRP Euramet/EMRP-2011 Qu-Ampere
• JRP Euramet/EMPIR-2017 SEQUOIA

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.

• 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 »).

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 1^er juillet 2016, TEL-01480637v1.

G. Trapon, O. Thévenot, J.-C. Lacueille et W. Poirier, “Determination of the von Klitzing constant R_K 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.

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

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

La CGPM (Conférence générale des poids et mesures) a adopté, lors de sa 26^e 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.

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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).

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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.

• 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.

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.

• 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

• 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)

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.

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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).

• 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.

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.

• 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