Ce projet européen (JRP GIQS) est un projet de métrologie fondamentale visant à l’amélioration de la traçabilité des mesures d’impédance électrique (R, L, C) en développant de nouveaux étalons quantiques de résistance et d’impédance et de nouveaux ponts de comparaisons d’impédances, numériques ou fonctionnant avec des références de tension Josephson AC. Ce projet s’inscrit dans le prolongement de l’évolution, en 2018, des définitions des unités du SI qui permettent désormais une mise en pratique « quantique » de toutes les unités électriques.

Objectifs

Améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique en régime de courant alternatif (AC) dans le graphène. Optimiser des dispositifs à base de graphène pour obtenir des étalons d’impédance à base de l'effet Hall quantique.

Faire progresser les ponts numériques pour la gamme de capacité de 10 pF à 10 nF à des fréquences élevées et développer un pont de mesure d'impédance fonctionnant avec des tensions de Josephson jusqu'à 50 kHz dans tout le plan complexe des impédances.

Combiner des dispositifs à base de graphène, une génération des tensions par l’effet Josephson (EJ) et un pont entièrement numérique afin d’établir la traçabilité des mesures de capacité jusqu'aux étalons de résistance quantique à effet Hall quantique (EHQ).

Mettre au point un nouveau système cryogénique accueillant un dispositif supraconducteur à EJ et un dispositif à EHQ en graphène, tous deux fonctionnant en courant alternatif (AC) et permettant la réalisation des étalons primaires quantiques de résistance et d'impédance dans le SI.

Faciliter le transfert des technologies et des dispositifs de mesure développés dans le cadre de ce projet vers les utilisateurs finaux (laboratoires de métrologie, fabricants de graphène, centres d'étalonnage…).

Résumé et premiers résultats

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Logo JRP GIQS
JRP EMPIR GIQS

L'objectif de ce projet européen est de fournir aux laboratoires nationaux de métrologie, aux centres d'étalonnage et à l'industrie la technologie nécessaire à la réalisation pratique des unités SI d'impédance électrique (ohm, farad, henry). Pour y parvenir, le consortium étudie la possibilité de combiner des nouveaux ponts numériques de mesure d'impédance (numérique ou Josephson) et des étalons quantiques de résistances réalisés à partir de graphène (pour la mise en œuvre de l’effet Hall quantique). Les dispositifs de mesure devront en particulier pouvoir être utilisés dans des dispositifs cryogéniques simples, pouvant à terme être exploités dans l’industrie.

Le projet européen a débuté en juin 2019 et s’étendra sur trois années. Le programme de travail a été réparti entre les 11 partenaires et est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet a été structuré en 3 lots de travail technique (WP) :

  • WP1 - Développement de dispositifs à effet Hall quantique à base de graphène afin d’obtenir des nouveaux étalons quantiques de résistance pour des applications en courant continu et en alternatif.
  • WP2 - Amélioration la précision des ponts d’impédances numériques comportant des références de tension Josephson alternatif ;
  • WP3 - Amélioration de la traçabilité des impédances à l’effet Hall quantique en combinant des dispositifs de résistances étalons à base de graphène en AC, des tensions Josephson alternatif et des ponts d’impédance numériques.

Par ailleurs, le lot WP4 sur la valorisation du projet, vise particulièrement à promouvoir les résultats obtenus auprès des acteurs industriels.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP GIQS : https://www.ptb.de/empir2019/giqs/home/

Dans ce projet, le LNE contribue à améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique (QHE) en régime alternatif dans le graphène, et participe à l’optimisation des dispositifs étalons à base de graphène et de ponts d’impédances totalement numériques, afin d’assurer la traçabilité des mesures d'impédance à l'effet Hall quantique. Pour étudier le comportement en fréquence des barres de Hall, le LNE développe un dispositif de mesure, en courant continu et alternatif, spécifiquement adapté à son nouveau système de refroidissement cryomagnétique pour la mise en œuvre des étalons quantiques de résistances.

Publications et communications

COUËDO F., THEVENOT O. et al., « The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard », 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

Partenaires & Collaborations

Ce projet européen (JRP) réunit 11 partenaires :

  • PTB, Allemagne
  • CMI, République Tchèque
  • INRIM, Italie
  • LNE, France
  • METAS, Suisse
  • RISE, Suède
  • VTT, Finlande
  • CNRS (CRHEA et C2N), France
  • NIMT (Institut national de métrologie de Thaïlande), Thaïlande
  • POLITO (Politecnico di Torino), Italie
  • KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science), République de Corée

Impacts attendus

  • amélioration des étalons d’impédance électrique dans les instituts nationaux de métrologie par la réalisation de nouveaux étalons quantiques à base de graphène ;
  • amélioration de la traçabilité des impédances électriques (incertitude de mesure et conditions de mesure) ;
  • réduction de la chaîne de raccordement des instruments de mesure au SI par l’usage d’étalons quantiques simplifiés et facilitation de l’usage industriel d’instruments de mesure et d’étalons quantiques pour les impédances électriques.

En métrologie des rayonnements ionisants, l’unité becquerel, unité dérivée du SI correspondant au nombre moyen de désintégrations radioactives par seconde, est obtenue par des méthodes primaires de mesure de l'activité. Une particularité du becquerel est que des étalons primaires doivent être réalisés pour chaque radionucléide individuellement, ce qui nécessite une certaine connaissance préexistante : schéma de désintégration, données nucléaires associées et données liées à la relaxation atomique subséquente.

Dans le cas des mesures primaires d’activité des émetteurs bêta purs avec la technique de la scintillation liquide, la précision dépend directement de la connaissance du rendement de détection. Or, la détermination du rendement de détection requiert la probabilité d’émission des particules bêta aux différentes énergies, c’est-à-dire la forme des spectres d’émission bêta. Par conséquent, la détermination précise de ces formes de spectres bêta est fondamentale pour la réalisation du becquerel des émetteurs bêta purs.

Objectifs

Développer une modélisation générale des transitions interdites dans les désintégrations par interaction faible et d’en quantifier la précision par une comparaison avec de nouvelles mesures. 

 Amélioration des prédictions théoriques.

Evolution d’un dispositif expérimental existant pour étendre les possibilités de mesure à un plus grand nombre de transitions.

Transfert de ces résultats aux utilisateurs à travers les données atomiques et nucléaires évaluées.

Résumé et premiers résultats

L’étude des spectres bêta, tant expérimentale que théorique, a joué un rôle majeur dans notre compréhension des interactions fondamentales au cours du XXème siècle. Les recherches ont été actives sur cette thématique jusque dans les années 1970, puis sont passées de mode. Les installations de mesure ont été démantelées et les codes de calculs, lorsqu’ils n’ont pas disparu avec leurs auteurs, sont pour la plupart restés inaccessibles. Cette thématique a connu un regain d’intérêt ces dix dernières années. La précision des simulations Monte Carlo, associée aux puissances de calcul toujours plus importantes, permet d’envisager des études précises pour caractériser un système de détection, évaluer l’impact d’un dépôt d’énergie au niveau cellulaire, ou encore déterminer la contribution de la radioactivité naturelle à des mesures à bas niveau de bruit. Ces simulations sont relativement faciles d’accès et sont de ce fait mises en oeuvre au sein de nombreuses communautés scientifiques. Elles restent cependant tributaires des données de désintégration atomiques et nucléaires. La question de la qualité, de la précision et de la complétude de ces données se fait donc de plus en plus pressante. Dans ce contexte, les informations liées aux transitions par interaction faible, désintégrations bêta comme captures électroniques, sont apparues incomplètes et insuffisamment précises.

Le LNE-LNHB a acquis ces dernières années une forte expertise dans l’étude des spectres bêta, tant expérimentale que théorique. L’un des résultats majeurs obtenus est le code de calcul BetaShape, qui a été mis à la disposition des utilisateurs et qui a déjà contribué à améliorer les données évaluées par le LNE-LNHB. L’étude des effets atomiques à basse énergie, considérés jusqu’alors comme négligeables, a permis de réaliser des prédictions théoriques en excellent accord avec les spectres de haute précision mesurés par calorimétrie métallique magnétique. L’impact important d’une description précise des spectres en énergie des particules bêta sur les mesures d’activité primaires par scintillation liquide a été clairement démontré. Des discussions sont en cours au niveau international pour adopter ces prédictions théoriques lors des futures intercomparaisons organisées par le BIPM.

Le degré de complexité nécessaire à des prédictions fiables n’est pas identique pour tous les types de transitions. Les transitions interdites sont particulièrement difficiles à modéliser car elles sont très sensibles aux structures atomiques et nucléaires des radionucléides. De plus, inclure ces structures dans les modèles est indispensable même pour les transitions permises si une précision de l’ordre de 1 % est recherchée. L’objectif principal de ce projet est de développer une modélisation générale des transitions interdites dans les désintégrations par interaction faible et d’en quantifier la précision par une comparaison avec de nouvelles mesures.

Impacts scientifiques et industriels

  • Une meilleure connaissance des transitions bêta et des captures électroniques permet d’améliorer la réalisation de l'unité becquerel en métrologie des rayonnements ionisants, et plus particulièrement dans le cas des radionucléides émetteurs bêta pur.
  • Ce projet contribue à réduire les incertitudes sur les données relatives à la désintégration nucléaire et à établir des étalons d'activité avec une précision et une exactitude accrues, nécessaires pour les applications industrielles. Des données améliorées sur la désintégration des radionucléides émetteurs bêta sont importantes dans l'industrie nucléaire pour le calcul de la puissance résiduelle des réacteurs à l'arrêt, ainsi que pour la gestion des déchets nucléaires. Une meilleure connaissance de la forme du spectre bêta est aussi très importante pour les radionucléides émetteurs bêta utilisés en médecine nucléaire car l'estimation de la dose administrée et les effets physiologiques en dépendent fortement. Cela est particulièrement vrai en dosimétrie interne en raison du transfert d'énergie linéique beaucoup plus élevé aux basses énergies. L’amélioration de la connaissance des spectres bêta permettrait de consolider la recherche sur les effets des rayonnements dans les tissus humains au niveau cellulaire.
  • Les méthodes développées et les résultats obtenus peuvent être utiles à de nombreuses expériences de recherche fondamentale qui nécessitent des données atomiques et nucléaires de grande précision. À titre d'exemple, les conclusions parfois fortes de toutes les expériences de physique des neutrinos mesurant des antineutrinos issus de réacteurs nucléaires sont limitées par la connaissance du spectre en énergie des particules bêta émises par les produits de fission au coeur du réacteur. L'utilité de ces expériences serait grandement renforcée par l'amélioration des données sur les spectres bêta, provenant d'expériences et de calculs de grande précision. On peut également citer certaines expériences essayant de mettre en évidence la matière noire.

Projets connexes

Partenaires/Collaborations

Ces études sur les transitions par interaction faible et la coordination d’un groupe de travail de l’ICRM dédié à la spectrométrie bêta amènent le LNE-LNHB à collaborer avec de nombreuses équipes.

 

International :

  • Agence Internationale de l’Energie Atomique (AIEA), Nuclear Data Section, Autriche. (données nucléaires)
  • Agence de l’Organisation de Coopération et de Développement Economique pour l’Energie Nucléaire (OCDE/AEN), France. (données nucléaires)
  • Collaboration “BeEST” : Colorado School of Mines, Lawrence Livermore National Laboratory, Stanford University, États-Unis ; TRIUMF, Canada. (physique expérimentale, physique théorique)
  • National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, États-Unis. (données nucléaires)
  • Physics Division, Oak Ridge National Laboratory, États-Unis. (physique expérimentale)

Europe :

  • PTB Braunschweig, Division 6 Ionizing Radiation, Allemagne. (métrologie)
  • Czech Metrology Institute, République Tchèque. (métrologie)
  • KU Leuven, Nuclear and Radiation Physics Section, Belgique. (physique théorique)
  • Department of Physics, University of Jyväskylä, Finlande. (physique théorique)
  • Gonitev BV et TU Delft, Department of Radiation, Science and Technology, Pays-Bas. (physique expérimentale)

France :

  • Université de Strasbourg et Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, groupe Théorie et groupe RaMsEs, France. (physique expérimentale, physique théorique)
  • Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL), France. (physique expérimentale)
  • Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3), Subatech, Groupe Erdre, France. (physique expérimentale, physique théorique)
  • CEA, Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU), Départements de Physique Nucléaire et de Physique des Particules, France. (physique expérimentale, physique théorique)
  • CEA, Direction des Applications Militaires sur le centre de la Direction d'Ile-de-France (DAM-DIF), Service de Physique Nucléaire, France. (physique théorique)

Ce projet s’intéresse à la caractérisation métrologique de nouveaux dispositifs dédiés à des applications en électronique de puissance, microélectronique, photovoltaïque, etc. Ces nouveaux dispositifs sont constitués de films minces complexes dont les performances en termes de rendement, robustesse et qualité de production doivent être mesurées et améliorées.

Le développement d’une analyse combinée non destructive en réflectivité X (XRR pour X-Ray Reflectivity) et fluorescence X en incidence rasante (GIXRF pour Grazing Incidence X-Ray Fluorescence) au LNE-LNHB a permis de maîtriser la caractérisation sans référence de films nanométriques (métrologie dimensionnelle et profil élémentaire).

Ce projet propose de conforter la technique XRR-GIXRF pour qu’elle devienne une référence dans le domaine, mais aussi de l’enrichir par de nouveaux développements instrumentaux afin d’élargir l’analyse élémentaire à la spéciation chimique. Ce développement doit permettre de faire le lien entre les caractéristiques des empilements à l’échelle nanométrique et les performances des dispositifs qui les utilisent (rendement de conversion des cellules photovoltaïques ou dispositifs de stockage de l’énergie).

Objectifs

L’objectif général de ce projet est de s’appuyer sur les résultats obtenus lors des projets précédents concernant la mise au point du goniomètre CASTOR, des protocoles de mesure et de l’analyse des résultats, pour améliorer et développer les possibilités de l’analyse combinée XRR-GIXRF et en faire une technique de référence.

Résumé et premiers résultats

L’analyse X sous incidence rasante permet de combiner deux approches complémentaires (XRR et GIXRF) afin de caractériser en profondeur des échantillons constitués d’une ou plusieurs couches d’épaisseurs nanométriques en faisant varier l’angle d’incidence du rayonnement incident sur l’échantillon. Cette technique et ses variantes sont mises en œuvre sur la ligne de Métrologie du synchrotron SOLEIL, en utilisant un goniomètre dédié. Elle nécessite des conditions expérimentales très rigoureuses et implique l’optimisation de la qualité du faisceau incident et des conditions d’alignement géométrique. L’analyse des données expérimentales inclut le traitement détaillé des spectres de fluorescence qui présentent une structure complexe.

L’ensemble des résultats de mesures (XRR et GIXRF) doit être traité à l’aide de codes de simulation dédiés afin de déterminer les paramètres d’intérêt (profil de distributions des éléments, quantité de matière déposée, densité, état chimique, etc.). Cette méthode a déjà été utilisée avec succès sur des échantillons d’intérêt préparés par des partenaires du LNE-LNHB, qui sont généralement constitués d’empilements de films minces pour des applications mémoires magnétiques ou d’électronique de puissance par exemple.

Les objectifs de ce projet sont d’abord de fiabiliser la technique au laboratoire en documentant de manière rigoureuse les sources d’incertitudes associées aux résultats et ensuite d’améliorer les capacités spectroscopiques de la technique GIXRF.

Impacts scientifiques et industriels

  • Ce travail permettra au LNE-LNHB d’asseoir sa maîtrise des techniques d’analyses par rayons X sous incidence rasante dans un but de métrologie des matériaux en couches minces d’épaisseurs nanométriques. Il permettra aussi d’étendre les capacités des techniques XRR-GIXRF par de l’analyse en spectrométrie à dispersion de longueur d’onde pour mieux appréhender la spéciation des éléments.
  • L’analyse combinée XRR-GIXRF disponible au LNE-LNHB vise à servir de référence en France pour les applications couches minces en salle blanche (micro- ou nano-électronique, applications photovoltaïques, nouvelles batteries, etc.).
  • Les nouvelles mesures de paramètres fondamentaux permettront d’alimenter la base de données que le LNE-LNHB construit progressivement.

Projets connexes

Ce projet fait suite à un projet financé par le LNE intitulé « Développement des méthodes d’analyse X sous incidence rasante » qui s’inscrivait dans plusieurs projets européens : ThinErgy (EMRP – ENG53, 2014-2017), 3DMetChemIT (EMPIR – 14IND01, 2015-2018), Hymet (EMPIR – 16ENG03, 2017-2020) pour lesquels le LNE-LNHB a développé la métrologie des couches minces par analyse non destructive combinée (XRR &  GIXRF).

En particulier, le laboratoire a pu développer un instrument dédié (goniomètre CASTOR) avec son contrôle-commande associé ainsi que son protocole de mesure. De plus, le LNE-LNHB a développé son propre modèle de calcul permettant d’interpréter les résultats.

Partenaires/Collaborations

  • Synchrotron SOLEIL : fourniture d’un faisceau monochromatique sur ligne de lumière
  • CEA\LETI : fourniture des échantillons et mesures avec des méthodes complémentaires
  • CNRS\LCPMR : intérêts communs dans l’analyse de couches minces
  • PTB : comparaisons dans le cadre du projet européen AEROMET II

Fort de son expertise en données atomiques et nucléaires, le LNE-LNHB constate depuis de nombreuses années l’incomplétude des schémas de désintégration pour certains radionucléides. Le développement des nouvelles techniques instrumentales au cours de ces dix dernières années, détecteurs et électronique associée, ouvre de nouvelles possibilités pour des mesures systématiques de paramètres atomiques et nucléaires. Le projet a pour objectif de développer une PLATeforme d’Instrumentation NUmérique Multi-détecteurs (PLATINUM) modulable, permettant de tester de nouvelles instrumentations utilisant deux ou plusieurs détecteurs en coïncidence afin de développer de nouvelles techniques de mesure absolue de paramètres atomiques et nucléaires.

Objectifs

Développer une PLATeforme d’Instrumentation NUmérique Multi-détecteurs (PLATINUM) modulable, permettant de tester de nouvelles instrumentations utilisant deux ou plusieurs détecteurs en coïncidence. 

Mise au point d’un module d’acquisition numérique rapide avec l’enregistrement d’événements horodatés pour un traitement post-acquisition (hors ligne).

Valider l’instrumentation pour s’assurer de sa fiabilité métrologique et évaluer les incertitudes associées. 

Résumé et premiers résultats

Le projet PLATINUM (PLATeforme d’Instrumentation NUmérique Modulable) a pour objectif de développer une plateforme modulable, dans le but de tester de nouvelles instrumentations utilisant deux ou plusieurs détecteurs en coïncidences. Le principe mis en œuvre dans ce projet s’appuie sur la détection simultanée d’interactions ayant lieu dans deux détecteurs différents, en recueillant des informations sur le type de particule et son énergie (spectroscopie). Ce principe est à la base de mesures absolues d’activité ou de systèmes actifs de réduction du fond continu pour améliorer les limites de détection. Il permet également de mesurer des paramètres caractérisant le schéma de désintégration de certains radionucléides, comme les coefficients de conversion interne, les rendements de fluorescence ou les corrélations angulaires entre les photons émis en cascade.

Il s’agit de développer une solution pratique, à l’échelle du laboratoire, pour concevoir, tester et mettre au point des instrumentations, reposant sur l’utilisation de plusieurs détecteurs, pour différents types d’études ou d’applications. Pour cela, les méthodologies des expériences développées pour la physique nucléaire et la physique des particules seront appliquées à échelle réduite, en tirant profit du développement des techniques d'acquisition numérique couplées à l’utilisation de détecteurs mobiles. Les performances de cet ensemble seront d’abord validées pour un système simple, constitué de deux spectromètres gamma à base de scintillateurs, en mesurant les corrélations angulaires entre les photons émis en cascade lors de la désintégration du cobalt-60. L’étape suivante consistera à coupler deux types de détecteurs (photons – électrons par exemple) pour des mesures spécifiques (rendements de fluorescence ou coefficients de conversion).

Avec ce « démonstrateur », le LNE-LNHB se dotera d’un outil pratique, destiné à tester et optimiser de futures instrumentations. Celles-ci seront utilisées pour la mesure de paramètres atomiques ou nucléaires, afin d’améliorer la connaissance des schémas de désintégration des radionucléides et de répondre aux besoins des utilisateurs de données nucléaires dans divers domaines d’application comme la médecine (thérapie/diagnostic) la dosimétrie de réacteur, etc. Des solutions pour des applications spécifiques, telles que des mesures de bas niveau d’activité pour la surveillance de l’environnement pourront également être développées.

Impacts scientifiques et industriels

  • De manière générale, cette plateforme répondra au besoin de caractérisation des radionucléides pour un large éventail de domaines allant de l’évaluation des données nucléaires aux applications diverses, pour la médecine (thérapie/diagnostic), la dosimétrie de réacteur ou pour la physique fondamentale.
  • L’ensemble instrumental de travail permettra notamment d’étudier des radionucléides émergeants, en contribuant à l’amélioration de la connaissance de schémas de désintégration. Cela permettra d’améliorer le niveau d’incertitude des mesures dans l’environnement ou celle des mesures d’activité de matériaux de référence (demande croissante au LNE-LNHB pour le démantèlement au niveau européen).

Partenaires/Collaborations

Collaboration avec d’autres laboratoires nationaux de métrologie dans le cadre du SIR (Système International de Référence).

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.

Image
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 »

Le 20 mai 2019, la phase de mise en œuvre de la redéfinition du système international d'unités (le SI) s'est achevée et les nouvelles définitions des unités sont entrées en vigueur. Actuellement, presque toutes les mesures de température effectuées dans le monde sont traçables à l'une des deux échelles définies : l’EIT-90 et l’EPBT-2000. Avec l'impulsion donnée par la redéfinition, il y aura une augmentation des approches de thermométrie primaire pour la réalisation et la diffusion de la température, directement en appliquant la définition du kelvin.

La réalisation du kelvin redéfini par la thermométrie primaire présentera un certain nombre d'avantages par rapport aux échelles définies. Avec le temps, les utilisateurs adopteront la thermométrie primaire, qui deviendra plus pratique à mettre en œuvre, en se fiant de moins en moins à la traçabilité à des échelles définies, ce qui améliorera la fiabilité des mesures à long terme. De plus, la partie basse température des échelles actuelles pourrait être remplacée par des approches plus simples de thermométrie primaire, tandis que la partie haute température sera remplacée par une radiométrie primaire indirecte plus robuste. Ce projet européen soutient la communauté mondiale de la métrologie dans la réalisation et la diffusion du kelvin redéfini.

Objectifs

Développer des techniques de thermométrie primaire à haute et basse température qui peuvent être utilisées pour réaliser et diffuser le kelvin redéfini

Effectuer des recherches pour assurer l'adéquation permanente de l'EIT-90

Entreprendre des recherches à plus long terme pour que la thermométrie primaire devienne la base de la traçabilité des températures sur toute la gamme de mesure

Résumé et premiers résultats

Les travaux de la métrologie française dans ce projet consisteront à piloter le premier lot de tâches concernant la réalisation et la dissémination du kelvin redéfini au-dessus de 1300 K : réalisation et caractérisation d’un ensemble de nouvelles cellules point fixe à haute température (tels que le point du WC-C à 3020 K), l’analyse des effets thermiques sur la reproductibilité des points fixes et la mesure de leur température thermodynamique. Il est également prévu de participer aux travaux sur la réalisation et la diffusion du kelvin en dessous de 25 K en mettant en œuvre une méthode originale de thermométrie acoustique rapide à gaz (dite « fast-AGT »). Elle sera utilisée pour déterminer la température thermodynamique de des points du Ne et du SF6, ce dernier étant développé dans le cadre de la contribution du RNMF au troisième lot de tâches concernant le maintien de l’EIT-90 (avec le remplacement à prévoir du point fixe du mercure pour des raisons sanitaires).

Impacts scientifiques et industriels

  • À basse température (<25 K), la possibilité d'une traçabilité directe au kelvin redéfini grâce à une voie d'étalonnage simplifiée sera un apport intéressant pour les fabricants d'équipements cryogéniques
  • À haute température (>1300 K), les développements auront un impact sur un large éventail d'industries, par exemple le traitement des matériaux et l'aérospatial/espace. La traçabilité actuelle de la thermométrie sans contact passe par l’étalonnage des thermomètres à rayonnement (avec des temps d'arrêt, et des coûts de d’étalonnage couteux).
  • Dans la gamme des moyennes températures, le projet permettra de pouvoir continuer à utiliser l’EIT-90 - largement utilisée dans l’industrie - au meilleur niveau d’incertitude dans l’attente de futurs développements en thermométrie primaire. L'un des premiers impacts sera le remplacement du point fixe du mercure (Hg).

Publications et communications

MACHIN G., ENGERT J., GAVIOSO R., GIANFRANI L., HAHTELA O., PERUZZI A., MCEVOY H., SADLI M., SPARASCI F. et WOOLLIAMS E., “The redefined kelvin: implementation to realisation”, TEMPMEKO 2019, Chengdu, République populaire de Chine, 10-14 juin 2019

SADLI M., BOURSON F., BRIAUDEAU S., SALIM S., KOZLOVA O., RONGIONE L. et KOSMALSKI S., “Assessement of the mise en pratique of the new kelvin at high temperature: a case study at LNE CNAM”, TEMPMEKO 2019, Chengdu, République populaire de Chine 10-14 juin 2019

SADLI M., “Practical implications of the new definition of the kelvin (invited plenary session)”, TEMPMEKO 2019, Chengdu, République populaire de Chine, 10-14 juin 2019

SADLI M., SPARASCI F. et PITRE L., “The Mise-en-Pratique of the new definition of the kelvin: what happens next?”, 19th International Metrology Congress (CIM), Paris, France, 24-26 septembre 2019

HU J., ZHANG H., GAO B., PLIMMER M., SPARASCI F. et PITRE L., "Active suppression of temperature oscillation from a pulse-tube cryocooler in a cryogen-free cryostat: Part 2. Experimental realization", Cryogenics, vol 109, 2020.

Partenaires

  • CEM (SP)
  • CMI (CZ)
  • INRIM (IT)
  • INTiBS (PL)
  • IPQ (PT)
  • LNE (FR)
  • CNAM (FR)
  • MIKES (FI)
  • MIRS/UL-FE/LMK (SL)
  • NPL (UK)
  • PTB (DE)
  • SMU (SK)
  • UME (TK)
  • VSL (NL)

Dans le cadre de ce projet, la métrologie française travaille avec le TIPC-CAS (Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences).

La révision du système international d'unité (SI) a été adoptée en novembre 2018,  par la Conférence générale des poids et mesures, pour mise en application le 20 mai 2019. La nouvelle définition du kelvin repose dorénavant sur la constante de Boltzmann k. Cette définition impacte les laboratoires nationaux de métrologie (LNM) qui pourront assurer la mise en pratique du kelvin (MeP-K) par n'importe quel moyen faisant intervenir k. Les LNM ont à saisir toutes les opportunités offertes pour mettre en œuvre la réalisation du kelvin et sa mise en pratique. La MeP-K se fera donc, non plus seulement à partir de l'Echelle Internationale de Température (EIT-90), basée sur des points fixes de références et des méthodes d'extrapolation, mais en lien direct avec la définition. Par voie de conséquence, les LNM pourront définir avec une meilleure exactitude les écarts entre la température thermodynamique T et la température T90 définie dans l'EIT-90. Ils auront la possibilité de disséminer T à partir d'artefacts (points fixes de référence ou d'instruments) étalonnés directement en température thermodynamique. La pyrométrie optique profitera de cette redéfinition qui donne tout son sens aux méthodes radiométriques faisant intervenir la loi de Planck, donc la constante de Boltzmann.

Ce projet est intimement lié au projet européen Real-K (Realising the redefined kelvin) portant sur la réalisation du kelvin en lien avec la définition. Il comporte des travaux visant à définir de nouvelles références - points fixes et instruments- et a pour objectif la MeP-K entre 800 K et 3000 K, avec une incertitude inférieure à celle de la réalisation de l'EIT-90.

Objectifs

Améliorer la couverture du domaine 1 357 K à 3 000 K par de nouveaux points fixes caractérisés en température thermodynamique avec uTut90

Réaliser et disséminer la température thermodynamique par voie radiométrique vers les moyennes températures jusqu’à 800 K

Concevoir des points fixes robustes raccordés directement aux références nationales (en température thermodynamique) et adaptés à des conditions de mise en œuvre différentes de celles des cellules de référence

Caractériser l’écart constaté d'environ 40 mK entre 𝑡90 (𝐶𝑢)−𝑡90 (𝐴𝑔) (non unicité de l'EIT-90) et maitriser les écarts de réalisation de l’EIT-90 avec la longueur d’onde

Résumé et premiers résultats

La première étape consiste en la fabrication d'un lot de quatre points fixes basés sur des transitions de phase d'alliage métal-carbone, de températures réparties entre 1426 K et 3022 K. Elle est directement liée à la deuxième, consacrée à l'estimation des effets thermiques sur la reproductibilité des transitions de phase des points fixes. L'objectif de ces deux étapes est de concevoir et caractériser des références robustes de température de changement de phase reproductibles. La troisième étape vise à attribuer une température thermodynamique à ces quatre nouveaux point fixes, qui associés à ceux déjà caractérisés dans le cadre du projet européen InK (Implementing the new kelvin), va constituer un lot solide de neuf références en lien direct avec la nouvelle définition : TCu = 1358 K, TCo-C = 1597 K, TFe-C = 1426 K, TCo-C = 1597 K, TPd-C = 1765 K, TPt-C = 2011 K, TRu-C = 2226 K, TRe-C = 2747 K et TWC-C = 3011 K. La quatrième étape est une extension de la troisième vers les "basses températures" (jusqu'à 800 K). Elle vise à étendre les références pyrométriques en recouvrant le domaine où le thermomètre à résistance de platine (instrument de référence jusqu'à 1235 K) atteint ses limites.

Impacts scientifiques et industriels

  • Contribution à l’élaboration de la future mise en pratique de la définition du
  • Dissémination de T par voie radiométrique jusqu’à 800 K
  • Sur le long terme, ce projet profitera directement à l'industrie qui accèdera de manière plus directe, donc plus fiable, aux références de température thermodynamique.

Partenaires

Participants du projet européen Real-K

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.

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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).

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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)