Vers une nouvelle définition de l'ampère, électron par électron

Il pourrait bientôt exister une nouvelle méthode, plus précise que la méthode actuelle, pour définir l'unité standard du courant, l'ampère, ceci grâce à un minuscule dispositif électronique réalisé par des physiciens finlandais et américains. L'équipe, conduite par Jukka Pekola de l'université de technologie d'Helsinki, a élaboré un transistor à électron unique qui convertit une tension oscillante en un courant électrique très précis.


L'ampère, le volt et l'ohm sont les trois unités principales de l'électricité. Alors que les physiciens ont conçu des définitions microscopiques modernes du volt et de l'ohm (respectivement via des mesures de tension de Josephson et de résistance quantique de Hall), les mesures les plus précises de l'ampère sont encore effectuées en utilisant une version améliorée d'une technique développée au 19ème siècle.

Aujourd'hui, l'ampère est défini comme le courant qui, traversant deux conducteurs parallèles distants d'un mètre, exerce une certaine force entre ceux-ci. C'est une mesure macroscopique impliquant une configuration géométrique particulière des conducteurs, ce qui limite la précision de la mesure.

Mesurer les courants faibles

Les physiciens voudraient définir l'ampère en créant une source extrêmement précise de courant électrique capable de délivrer un électron à la fois. Et bien que des chercheurs aient déjà essayé de fabriquer de tels dispositifs à électron unique afin de redéfinir l'ampère, aucun d'entre eux n'a encore réussi, la détection de courants d'électron si infimes s'avérant extrêmement difficile.

Pekola et ses collègues ont élaboré un transistor à électron unique qui pourrait être utilisé pour surmonter ce problème. Leur dispositif se compose d'une petite île conductrice reliée à deux jonctions tunnel. Les électrons peuvent passer dans l'île par l'intermédiaire d'une des deux jonctions et en ressortir par l'autre. Le dispositif inclut également une électrode de grille, dont la tension est utilisée pour contrôler l'écoulement des électrons à travers l'île.

Chaque jonction tunnel contient une couche isolante très mince, que les électrons peuvent traverser par effet tunnel. Les jonctions sont si petites que la répulsion électrique entre les électrons empêche le passage de plus d'un électron à la fois à travers le "tunnel".

Refroidi à 0,1 K

Le dispositif est refroidi à 0.1 K pour réduire le bruit thermique et un courant constant est généré à travers l'île et les jonctions. Une tension oscillante est appliquée à l'électrode de grille. Le nombre précis d'électrons qui traversent le dispositif pendant un cycle d'oscillation est déterminé par l'amplitude et la valeur moyenne de la tension de grille.

Le courant traversant le dispositif est tout simplement le nombre d'électrons qui passent par effet tunnel par cycle de grille multiplié par la charge de l'électron et la fréquence de la tension de grille. La fréquence de grille et le nombre d'électrons par cycle peuvent être déterminés et la charge sur l'électron est fixe, ce qui signifie que le dispositif est une source très précise de courant.

Bien que les chercheurs doivent encore améliorer la précision de leur dispositif, Pekola pense que ce transistor est l'un des meilleurs candidats pour créer une "pompe de courant métrologique" utilisable pour définir l'ampère. Selon lui, cela pourrait être réalisé en plaçant une dizaine de ces dispositifs en parallèle, ce qui fournirait un courant de l'ordre de 100 pA, suffisant pour effectuer une mesure.

"Notre dispositif est simple à utiliser et il est très facile d'en mettre plusieurs en parallèle pour augmenter le courant de sortie", indique le scientifique. "C'est la très faible valeur du courant à mesurer qui a posé problème dans le passé dans la réalisation de pompe de courant à électron unique."

Le triangle métrologique quantique

Le dispositif pourrait également permettre de prêter main forte à ce qu'il est convenu d'appeler le "triangle métrologique quantique" qui met en correspondance le courant, la tension et la résistance. La tension peut être mesurée en utilisant l'effet Josephson, et la résistance peut y être reliée par l'effet Hall quantique. Ces deux relations incluent deux constantes fondamentales, h la constante de Planck, et e la charge sur l'électron. Une pompe de courant métrologique permettrait aux physiciens de connecter directement le courant à la fréquence.

"Les travaux de ces chercheurs semblent très intéressants et sans doute être importants s'ils tiennent leur promesse", commente Ian Robinson du Laboratoire National de Physique britannique. Robinson travaille sur la "balance du watt" qui devrait contribuer à introduire les valeurs de h dans une nouvelle définition du kilogramme dans le Système International de mesures (SI). L'appareil utilise actuellement les effets Josephson et Hall quantique pour mesurer le courant avec une incertitude d'environ de 10^-8. "La technique décrite ici doit être améliorée d'un facteur 1 million avant d'approcher ce niveau de précision mais elle est prometteuse," ajoute le scientifique.