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Bientôt, une définition quantique précise de l'ampère ?

Il est vital pour le développement de la physique de disposer de moyens précis et fiables pour définir des étalons de mesures. Alors que le volt et l’ohm sont définis à l'aide de phénomènes physiques à l’échelle microscopique, l’ampère n’était jusqu’ici défini que par des mesures macroscopiques. Grâce à une équipe finlandaise, c’est en train de changer.

André-Marie Ampère

André-Marie Ampère

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L’unité de courant électrique porte le nom d’un des grands contributeurs à la découverte de la théorie de l’électromagnétisme, le français André-Marie Ampère.

Depuis sa redéfinition en 1948, l’ampère représente une intensité de courant constante qui, si elle est maintenue dans deux conducteurs parallèles, distants d'un mètre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs une force égale à 2×10-7 newton par mètre. Avant, elle faisait intervenir un taux de déposition d’argent par électrolyse.

Les expériences de physiques devenant de plus en plus précises, il est devenu nécessaire de définir avec une grande précision ce que l’on entend par volt, ohm et ampère. Les deux premiers sont maintenant reliés à des phénomènes quantiques faisant intervenir la constante de Planck h et l’unité de charge électrique e. Il serait utille de pouvoir faire la même chose pour l’ampère. L’idéal serait une expérience dans laquelle on pourrait compter le passage d’un seul électron à la fois dans un conducteur.

Le professeur Jukka Pekola, de l'Helsinki University of Technology, est parvenu à s’approcher de ce rêve avec ses collègues en utilisant un transistor fonctionnant avec un seul électron et convertissant une différence de potentiel U oscillante à une fréquence f en un courant électrique I très précisément mesurable.

C’est un dispositif quantique qui viendrait compléter ceux basés sur l’effet Josephson, du nom du prix Nobel Brian Josephson  et qui est utilisé pour la définition du volt, ainsi que sur l’effet Hall quantique, utilisé lui pour la définition de l’ohm.

Brian Josephson
Brian Josephson

Le 100 % quantique pour bientôt

Refroidi à 0,1 K, le transistor est consistué de deux jonctions à effet tunnel avec un conducteur pris en sandwich. Cet effet quantique permet de contrôler le passage d’un seul électron sur une durée donnée. En pratique, c’est d’abord le nombre d’électrons passant par cycle d’oscillation de la différence de potentiel appliquée au dispositif qui peut être connu avec grande précision.

Les résultats obtenus, bien qu’intéressants, ne sont pas encore au niveau escompté mais les chercheurs pensent y parvenir bientôt, notamment en mettant plusieurs dispositifs de ce type en série. Pour le moment, en utilisant l’effet Josephson et l’effet Hall quantique, on obtient indirectement par la mesure d’une résistance R et d’une différence de potentiel U une valeur de l’ampère pour une intensité I précise à 10-8.

Triangle métrologique quantique. En utilisant trois dispositifs quantiques avec une mesure d'intensité I, de résistance Rk , de différence de potentiel U en liaison avec des fréquences f, il serait possible de définir des unités de tension, résistance, intensité à partir des constantes fondamentales de la nature. Crédit : LNE
Triangle métrologique quantique. En utilisant trois dispositifs quantiques avec une mesure d'intensité I, de résistance Rk , de différence de potentiel U en liaison avec des fréquences f, il serait possible de définir des unités de tension, résistance, intensité à partir des constantes fondamentales de la nature. Crédit : LNE

C’est encore un million de fois plus précis que ce que le groupe de  Pekola est parvenu à réaliser. Pour fermer ce qu'on appelle le triangle quantique métrologique, il y a donc encore des étapes à parcourir...

Des tentatives similaires ont d'ailleurs déjà été faites par d'autres chercheurs européens, par exemple en France, ces dernières années.


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