Une source de courant redéfinit précisément l'ampère

Le 01/05/2014 à 17:00  
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L ors de la 25 e conférence internationale des poids et mesures, qui se tiendra au Palais des Congrès à Versailles du 18 au 20 novembre 2014, il est prévu de poursuivre la modernisation de la définition du système international (SI) des unités de mesures. L'objectif est de référencer chaque unité de base par rapport à la valeur numérique exacte d'une constante physique fondamentale,autrement dit d'un «étalon» quantique.

Si des étalons quantiques pour les unités électriques volt et ohm sont disponibles depuis plus de deux décennies, l'ampère n'a pas encore cette chance.Jusqu'ici cette unité de base de courant ne peut être réalisée de façon métrologique précise que via les unités électriques dérivées du volt et de l'ohm. Or, le but est de relier directement la valeur d'un ampère à la charge électrique élémentaire d'un électron, soit 1,602 176 565 10 -19 C (coulomb). Le défi consiste donc à créer un dispositif qui génère un courant d'un seul électron et qui, de plus, assure la mesure précise de ce courant.

L'institut allemand PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) a développé avec succès un circuit intégré sur lequel sont réunies des pompes à électrons, qui délivrent des électrons un à un en suivant la cadence d'une horloge, et des détecteurs qui mesurent le courant engendré. Pour la première fois, cette équipe de chercheurs est parvenue à mesurer le courant impliqué dans chaque saut d'électron unique.

Ce circuit intégré permet de mesurer des électrons un à un ainsi que leur charge respective. Chaque pompe à électrons est dotée de trois électrodes (de couleur verte) traversant un fil semi-conducteur (bleu). L'acquisition des électrons pompés est réalisée à l'aide de trois détecteurs (gris).

PTB

Mesurer précisément le courant d'un seul électron

La pompe ne transporte que quelques dizaines d'électrons par seconde, ce qui induit une vitesse suffisamment réduite pour permettre des mesures extrêmement précises. Ce dispositif, baptisé «source de courant quantique autoréférencée » semble donc une solution fiable et une étape décisive pour établir la future définition de l'ampère. Pour récompenser cette avance remarquable, les scientifiques du PTB, sous la direction de Hans Werner Schumacher, ont reçu le prix Hermann von Helmholtz doté de 20 000 €. Celui-ci est réputé être l'un des prix internationaux les plus prestigieux dans le domaine de la métrologie.