Métrologie électrique quantique et effet Hall quantique
F. Schopfer
Laboratoire National de Métrologie et d'Essais
Jeudi 28/09/2006, 11:00
Petit Amphi, LPS Bât. 510, Orsay
La métrologie électrique quantique concerne la réalisation des unités électriques (volt, ohm et ampère) à partir des effets quantiques de la physique de la matière condensée. Elle exige naturellement une bonne compréhension de ces effets ainsi que des techniques expérimentales très performantes pour les mettre en oeuvre dans les conditions idéales où les comportements observés correspondent aux prédictions théoriques, et pour les exploiter avec la plus grande exactitude.
Son avènement est consécutif à la découverte de l'effet Josephson (EJ) et de l'effet Hall quantique (EHQ). En effet ceux-ci permettent des représentations du volt et de l'ohm universelles et reproductibles avec des incertitudes relatives inférieures à $10^{-9}$. Les valeurs parfaitement quantifiées de ces étalons sont uniquement reliées aux constantes fondamentales $e$ (charge de l'électron) et $h$ (constante de Planck) par l'intermédiaire des constantes phénoménologiques KJ et RK théoriquement égales à $2e/h$ et $h/e^2$.
Par ailleurs, l'effet tunnel monoélectronique (ETM), fondé sur le blocage de Coulomb, permet de concevoir des pompes à électrons dont il est possible de maîtriser le flux à 1'électron près. Il offre donc la possibilité de réaliser un étalon quantique de courant dont l'intensité est directement reliée à la charge de l'électron $e$.
En permettant la dématérialisation des étalons primaires des grandeurs électriques et leur reproduction avec d'excellents niveaux d'incertitude ($10^{-17}$ en valeur relative pour l'EJ), l'EJ, l'EHQ et l'ETM ont eu un apport déterminant pour la métrologie. Aujourd'hui, ils permettent aussi d'envisager une évolution du Système International d'Unités (SI) vers un système défini à partir des constantes fondamentales de la physique.
Après une rapide introduction aux grands concepts de la métrologie (Système International d'Unités ; définition, réalisation et reproduction des unités,...), nous présenterons les applications des trois effets, EJ, EHQ et ETM, en métrologie. Pour exemple, nous insisterons plus largement sur l'utilisation de l'EHQ pour la réalisation de l'ohm (échantillons, conditions de mesure, techniques instrumentales, récents développements comme la réalisation d'étalons quantiques de résistance à partir de réseaux de plusieurs dizaines de barres de Hall combinées en série et/ou en parallèle,...). Enfin nous évoquerons les enjeux de la définition d'un nouveau SI fondé sur les constantes fondamentales de la physique et les expériences entreprises au laboratoire pour accomplir cette révolution (tests d'universalité de l'effet Hall quantique, triangle métrologique, détermination de la constante de von Klitzing RK par l'utilisation d'un condensateur calculable de Thompson-Lampard, balance du watt pour la dématérialisation du kilogramme ou la détermination de la constante de Planck $h$).