Dispositif à un électron et métrologie de l’ampère

L’ampère est défini comme « l’intensité d’un courant électrique constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de un mètre l’un de l’autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force de 2 × 10 ^–7 newtons par mètre de longueur ». Jusqu’à aujourd’hui, la réalisation directe de l’ampère s’effectue grâce à un électrodynamomètre avec une incertitude de 10 ^–5. La détermination du rapport gyromagnétique du proton permet de le réaliser de manière indirecte avec une incertitude de 10 ^–6. La balance du watt combinée à la détermination de l’ohm devrait à terme conduire à une réalisation de l’ampère à quelque 10 ^–8 [1]. Cependant, de manière pratique dans le système international d’unités (SI), la réalisation et la reproduction de l’ampère, ainsi que la détermination de ses multiples et sous-multiples passent par les étalons de résistance et de force électromotrice en appliquant la loi d’Ohm. Toute intensité de courant comprise entre 100 pA et 10 kA est ainsi raccordée à l’ohm et au volt par des mesures de la tension aux bornes d’une résistance. Une incertitude de 10 ^{– 6} est obtenue pour des intensités de courant comprises entre 10 µA et 10 mA. Pour les valeurs inférieures à 100 pA, une variation de tension aux bornes d’un condensateur de capacité connue, chargé par le très faible courant à déterminer, est mesurée sur une certaine durée.

Avec l’avènement de la métrologie quantique, les nouveaux dispositifs utilisés comme étalons électriques se sont avérés plus stables, plus reproductibles que les étalons conventionnels et ont permis de gagner 3 à 4 ordres de grandeur sur l’incertitude par rapport aux étalons matériels classiques (piles, résistances). Par ailleurs, les phénomènes mis en jeu reliés directement à des constantes fondamentales (h, e, etc.) pourraient à terme remplacer les unités du SI. La physique fondamentale s’est ainsi introduite dans le monde de la métrologie. Actuellement, les effets Hall quantique et Josephson permettent de conserver l’ohm et le volt. Ces phénomènes se manifestent au sein de dispositifs extrêmement petits (dont une des dimensions caractéristiques est inférieure à 10 nm) et font appel à une physique en plein essor : la physique mésoscopique, ou nanosciences. À l’échelle nanométrique, les matériaux et les systèmes peuvent révéler des caractéristiques complètement nouvelles qui en modifient sensiblement les propriétés. Dans ce contexte, des physiciens ont imaginé des dispositifs au travers desquels le passage des électrons serait maîtrisé un à un [2] [3] [4]. Ce nouveau concept a été baptisé « électronique à un électron » et les métrologues ont immédiatement exploité ces systèmes dans le but de développer un étalon quantique de courant [2].