Une nouvelle avancée dans les étalons quantiques de résistance

Des scientifiques de l’université de Würzburg et de l’institut national allemand de métrologie (PTB) ont réalisé une expérience qui permet d’obtenir un nouveau type d’étalon quantique de résistance. Cette expérience est basée sur l’effet Hall quantique anormal.

La mesure précise de la résistance électrique est essentielle dans la production industrielle ou l’électronique – par exemple, dans la fabrication de capteurs de haute technologie, de micropuces et de commandes de vol. « Des mesures très précises sont essentielles ici, car même les plus petits écarts peuvent affecter de manière significative ces systèmes complexes », explique le professeur Charles Gould, physicien à l’Institut des isolants topologiques de l’université de Würzburg (JMU).

Pour la première fois, les scientifiques ont mis en œuvre expérimentalement un étalon de résistance quantique qui peut fonctionner sans champ magnétique externe. « En physique, les étalons sont utilisés comme points de référence fixes pour la mesure précise de quantités physiques et l’étalonnage d’instruments de mesure », explique M. Gould. « Un étalon quantique fonctionne sur la base des principes invariants de la mécanique quantique, ce qui le rend extraordinairement stable ».

Comment fonctionne l’étalon ?

Nombreux sont ceux qui se souviennent de l’effet Hall classique de leurs cours de physique : Lorsqu’un conducteur est traversé par un courant et qu’il est exposé à un champ magnétique, une tension est créée – la tension dite de Hall.

En divisant cette tension par le courant, on obtient la résistance de Hall. Celle-ci augmente à mesure que le champ magnétique se renforce. Dans les conducteurs extrêmement fins, inférieurs à quelques nanomètres (à titre de comparaison, un cheveu humain a une épaisseur d’environ 100 000 nanomètres) et en présence de champs magnétiques très puissants, la résistance n’augmente plus de manière continue, mais atteint toujours les mêmes valeurs fixes (étapes discrètes qui ont des valeurs universelles et sont indépendantes des propriétés de l’appareil). C’est ce qu’on appelle l’effet Hall quantique (EHQ). Le fait que la résistance dans l’effet Hall quantique prenne des valeurs universelles en fait la base idéale pour déterminer la norme de résistance.

La particularité de l’effet Hall quantique anormal (QAHE) est qu’il permet à l’effet Hall quantique d’exister à champ magnétique nul. « Le fonctionnement en l’absence de tout champ magnétique externe simplifie non seulement l’expérience, mais présente également un avantage pour la détermination d’une autre grandeur physique : le kilogramme. Pour définir un kilogramme, il faut mesurer simultanément la résistance électrique et l’étalon de tension », explique M. Gould, « mais la mesure de l’étalon de tension ne peut se faire qu’en l’absence de champ magnétique, et le QAHE est donc idéal pour cela ».

Jusqu’à présent, les mesures du QAHE à champ magnétique externe nul n’avaient pas la précision requise par les applications modernes de la métrologie quantique. Les nouvelles mesures placent pour la première fois l’étalon QAHE sans champ magnétique sur un pied d’égalité avec les premiers étalons de résistance conventionnels basés sur la QHE, atteignant ainsi les seuils de précision nécessaires.

Projets futurs

Jusqu’à présent, le fonctionnement de l’étalon de résistance quantique sans champ magnétique externe reste limité à des températures extrêmement basses et à des courants faibles. Afin de rendre l’étalon commercialement utilisable à l’avenir, par exemple pour l’industrie, l’expérience doit être encore améliorée. C’est pourquoi l’équipe de Gould à Würzburg continue de travailler dans ce sens avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) à Braunschweig, en Allemagne, et avec des chercheurs internationaux dans le cadre du consortium européen de métrologie QuAHMET.

Le projet de recherche a été financé par la Commission européenne, l’État libre de Bavière et la Fondation allemande pour la recherche (DFG).

L’équipe de recherche participe également au pôle d’excellence ct.qmat – Complexité et topologie dans la matière quantique, qui est géré conjointement par l’Université de Würzburg (JMU) et la Technische Universität (TU) Dresden depuis 2019. Plus de 300 scientifiques de plus de trente pays et de quatre continents étudient les matériaux quantiques topologiques qui révèlent des phénomènes surprenants dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants. ct.qmat est financé par la stratégie d’excellence allemande du gouvernement fédéral et des États fédérés et est le seul pôle d’excellence en Allemagne à être basé dans deux États fédérés différents.

Légende illustration : Ce dispositif peut être utilisé pour mesurer l’étalon de résistance basé sur l’effet Hall anomal quantique. (Image : Fijalkowski, JMU)

Référence : A zero magnetic field quantum standard of resistance at the 10-9 level. D. K. Patel, K. M. Fijalkowski, M. Kruskopf, N. Liu, M. Götz, E. Pesel, M. Jaime, M. Klement, S. Schreyeck, K. Brunner, C. Gould, L. W. Molenkamp, and H. Scherer. DOI: 10.1038/s41928-024-01295-w (Link: s41928-024-01295-w)

Source : Université de Würzburg – Traduction Enerzine.com