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RÉSUMÉ
Depuis quelques années, les procédés de nanofabrication ont permis l’élaboration de dispositifs électroniques capables de générer des courants quantifiés. Les nanodispositifs monoélectroniques sont plus simples, plus performants, ils peuvent pomper à des fréquences plus grandes et être associés en parallèle. Ces atouts leur confèrent des qualités qui font d’eux de vrais outils métrologiques. Ces dispositifs pourraient ainsi se placer au cœur même de la future réforme du Système International, qui vise à redéfinir certaines unités de base. Dans ce contexte, l’utilisation des nanodispositifs monoélectroniques permettrait de définir un ampère quantique où l’unité du courant électrique serait directement reliée à la charge élémentaire, e.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Nicolas FELTIN : Ingénieur de recherche au LNE, Laboratoire national de métrologie et d’essais, Trappes - Responsable de mission amont en nanométrologie
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Xavier JEHL : Physicien au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, centre de Grenoble
INTRODUCTION
La maîtrise des moyens de nanofabrication a permis aux physiciens d’élaborer des dispositifs électroniques capables de générer des courants quantifiés. Les premières pompes à électrons étaient fondées sur l’effet tunnel monoélectronique et étaient constituées de barrières tunnel fixes et d’îlots métalliques. Ces dispositifs ont ouvert la voie à l’électronique à un électron mais ne peuvent générer que de très faibles courants ne dépassant pas 10 pA (10−11 A). Depuis une décennie, de nouveaux nanodispositifs apparaissent. Ils sont capables de pomper les électrons à des fréquences plus grandes, sont plus simples à utiliser et peuvent être associés en parallèle. Ils peuvent ainsi devenir des outils métrologiques avec des perspectives intéressantes pour la métrologie de l’ampère. Nous présenterons dans cet article les nanodispositifs électroniques qui semblent actuellement les plus prometteurs pour atteindre cet objectif.
D’autre part, le monde de la métrologie se prépare pour de profondes modifications du système d’unités (SI). L’ensemble des instituts nationaux de métrologie (INM) est en effet impliqué dans un projet historique qui vise à redéfinir certaines unités de base à partir de valeurs fixées d’un nombre restreint de constantes fondamentales. Ces constantes de la nature présentent des avantages considérables et conféreraient au futur système SI une base solide. En effet, elles décrivent les propriétés universelles de la matière et de ses interactions, et sont indépendantes de tout système référentiel considéré, ainsi que de sa position dans l’espace et le temps. Dans ce contexte, l’utilisation de nanodispositifs monoélectroniques permettrait de définir un ampère quantique où l’unité du courant électrique serait directement reliée à la charge élémentaire, e.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1984 par Jean-François SULZER
- Version archivée 2 de janv. 1996 par Jean-François SULZER, Lionel VERNERIE
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5. Le nanodispositif monoélectronique au cœur de la future réforme du SI
5.1 Vers une définition quantique de l’ampère
Dans le Système international d’unités, l’unité électrique de base est l’ampère qui 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 newton par mètre de longueur ».
Cette définition fixant µ 0 permet notamment de relier les unités électriques et mécaniques par l’intermédiaire d’une force, mais la réalisation expérimentale de celle-ci appelée « balance de l’ampère » n’est plus mise en œuvre aujourd’hui. Dans cette expérience, un courant traversait deux bobines et la force d’interaction entre celles-ci était mesurée. La principale limitation était due à la détermination difficile de la géométrie des deux bobines, et ainsi l’incertitude ne dépassait pas 5 x 10−6 .
Aujourd’hui, puisqu’un étalon de courant n’est toujours pas disponible, l’ampère est reproduit expérimentalement à partir de la loi d’Ohm et des étalons quantiques de tension et de résistance qui mettent en œuvre l’effet Josephson et l’effet Hall quantique. Les avancées significatives dans la maîtrise des dispositifs monoélectroniques ont ouvert des perspectives intéressantes en métrologie électrique : l’utilisation des nanodispositifs SET pourrait, par exemple, être une alternative intéressante pour l’étalonnage de très faible courant (< 1 nA) et remplacer à terme les méthodes d’étalonnage traditionnelles qui utilise des ponts d’intégration ou ponts différentiels ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BORDE (C.J.) - Fundamental metrology/Métrologie fondamentale - C.R. de l’Académie des sciences, Physique, 5 (2004).
-
(2) - QUINN (T.J.), BURNETT (K.) - Royal Society Discussion Meeting : The fundamental constants of physics, precision measurements and the base units of the SI - Phil. Trans. R. Soc. Lond., A 363, 2097–327 (2005).
-
(3) - PIQUEMAL (F.), JECKELMANN (B.) - Quantum Metrology and Fundamental Constants - Eur. Phys. J. Special Topics, 172 (2009).
-
(4) - * - « Le Système international d’unités », BIPM, 8e édition (2006).
-
(5) - * - « Étapes préalables à de nouvelles définitions du kilogramme, de l’ampère, du kelvin et de la mole en fonction de constantes fondamentales », Recommandation 1 (CI-2005) du CIPM.
-
(6) - EICHENBERGER (A.), GENEVES...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Organisme, Associations, Fédérations
Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), Institut français de métrologie :
Mittatekniikan keskus (MIKES), Institut finlandais de métrologie :
The National Institute of Standards and Technology (NIST), Institut américain de métrologie :
http://www.nist.gov/index.html.
The National Physical Laboratory (NPL), Institut britannique de métrologie :
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Institut allemand de métrologie :
http://www.ptb.de/index_en.html.
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