Etalons quantiques en graphène pour les unités électriques du SI – GraphMet

La physique quantique a révolutionné la métrologie électrique en fournissant des étalons quantiques de résistance et de tension universels et reproductibles, fondés sur la constante de Planck h et la charge de l’électron e, en utilisant respectivement l’effet Hall quantique (EHQ) et l’effet Josephson (EJ). Depuis 1990, la mise en œuvre de ces étalons quantiques permet de réaliser l’ohm et le volt avec une incertitude relative, grandement améliorée, de 10^-9. D’autres unités électriques (ampère, farad) et même mécaniques, ont également bénéficié de ces étalons quantiques. La mécanique quantique permet aussi un étalon quantique de courant, directement relié à e, à partir de sources mono-électroniques fondées sur le blocage de Coulomb d’une charge élémentaire sur un îlot. Cependant, de tels systèmes ne sont pas encore compétitifs avec les dispositifs EHQ et EJ en termes d’exactitude et de robustesse.
En outre, les étalons électriques quantiques s’apprêtent à jouer un rôle crucial dans l’évolution historique que le Système International d’unités (SI) s’apprête à connaître. En 2018, le SI sera redéfini en fixant la valeur de quatre constantes de la nature : h, e, k (constante de Boltzmann) and Na (constante d’Avogadro), sans incertitude. Il en résultera une grande amélioration dans l’exactitude des réalisations quantiques des unités électriques fondées sur h et e. De plus, les trois effets quantiques permettront une « mise en pratique » des nouvelles définitions du kilogramme et de l’ampère, respectivement définis par h et e.
Il est donc capital pour le SI et sa dissémination, et pour les mesures en général, que les étalons quantiques soient les plus exacts, fiables et disponibles et les moins coûteux.
En l’état actuel, cependant, leur utilisation est restreinte aux grands instituts de métrologie du fait de leurs conditions de fonctionnement restrictives (basse température T, fort champ magnétique B) qui imposent de gros investissements, de forts coûts de fonctionnement (hélium liquide) et une grande expertise des opérateurs.
Dans ce contexte, le graphène, découvert en 2004, pourrait amener une révolution technologique : son EHQ robuste, la possibilité de nano-structuration à l’échelle atomique sont prometteurs pour de nouveaux dispositifs quantiques ayant des conditions de fonctionnement compatibles avec des systèmes cryogéniques compacts, sans hélium liquide et à moindre coût.
L’objectif général du projet est de progresser dans l’exploitation du graphène pour réaliser des étalons quantiques pratiques et peu coûteux, pouvant être facilement diffusés vers les utilisateurs (instituts de métrologie, centres d’étalonnages, industrie et monde scientifique). Le projet développera l’étalon quantique de résistance en visant des conditions de fonctionnement moins restrictives (B~1 T, T~4 K), au-delà de l’état de l’art récemment établi par le LNE, permettant une intégration dans un réfrigérateur, sans hélium, miniaturisé. Avec une approche plus exploratoire, le projet évaluera la faisabilité d’autres étalons quantiques en graphène, en l’occurrence, les étalons de tension Josephson et de courant mono-électronique, le but final étant de rassembler les trois étalons quantiques pour l’ohm, le volt et l’ampère sur une puce, intégrée dans un unique réfrigérateur compact et sans hélium.
Réaliser ces objectifs représente un vrai challenge en termes de qualité et de technologie du graphène, et également en terme de mesure. Le défi sera relevé par des spécialistes de la croissance de graphène et de la nanofabrication ainsi que par des experts du transport quantique et de la métrologie.
Les progrès permis par le projet pour la traçabilité des mesures électriques dans le SI et pour les technologies du graphène devraient avoir un fort impact dans le monde de la science et de l’industrie, notamment dans les domaines des dispositifs innovants en graphène, de la mesure et des étalonnages, de l’instrumentation, du graphène et de la cryogénie.