Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Les étalons de tension Josephson consistent ainsi en la mise en série de centaines de milliers de jonctions Josephson (fig. 2). Ce nombre élevé est nécessaire pour atteindre des tensions de plus de 10 volts, d’intérêt pour les utilisateurs, car une seule jonction fonctionnant à 10 GHz ne génère que 20 µV. Ces étalons s’appuient sur des circuits supraconducteurs complexes, superposant tensions continues et microondes et nécessitant une grande homogénéité des paramètres des jonctions Josephson. Les étalons de tension Josephson programmables sont des réseaux divisés en segments, chacun d’eux étant commandé par une source de polarisation en courant indépendante. Ils se comportent comme des convertisseurs numériques-analogiques. Ils permettent d’automatiser les applications en tension continue et de générer des tensions alternatives dans la gamme du kilohertz. D’autres réseaux, pilotés par des impulsions de courte durée (inférieure à la nanoseconde), permettent de générer des tensions alternatives jusqu’au mégahertz. Il existe, d’ores et déjà, des systèmes commerciaux qui autorisent une plus large diffusion vers les utilisateurs. Les étalons de résistance, quant à eux, ont connu un renouveau ces dernières années avec un nouveau matériau, le graphène (fig. 3). Cette monocouche d’atomes de carbone organisés en réseau hexagonal de type nid d’abeille se révèle être très intéressante, car l’effet Hall quantique y est très robuste ; il a été notamment observé jusqu’à température ambiante. Avec ce matériau, il est possible de développer un étalon quantique de résistance quantifié aux meilleures exactitudes à plus faible champ magnétique, et avec des températures et des courants de mesure plus élevés que dans le cas du GaAs [6]. Les conditions de mise en œuvre sont alors beaucoup plus simples, ce qui facilite la dissémination de l’unité de résistance. Par ailleurs, des découvertes récentes, comme l’effet Hall quantique anormal dans des isolants topologiques, permettent d’envisager l’effet Hall quantique à champ nul à long terme. Toutes ces avancées ouvrent la perspective de réaliser l’ensemble des grandeurs électriques sur de larges gammes de valeurs et de fréquences, dans des conditions expérimentales se simplifiant, et ce, directement à partir des étalons quantiques reliés à e eth. 28 Reflets de la Physique n°62 Guillaume Grandin/LNE Guillaume Grandin/LNE 2. Photographie d’un étalon de tension Josephson programmable 1 V contenant 8192 jonctions Josephson, fabriqué par le laboratoire national de métrologie allemand PTB. Le circuit supraconducteur où se trouvent les jonctions Josephson est à droite de l’image. Il est connecté à un circuit imprimé (à gauche de l’image) par des fils de soudure. 3. Quelques barres de Hall à base de graphène sur SiC, avec des contacts en Ti/Au. La plaquette est montée sur un porte-échantillon dédié aux mesures électriques. Références 1 A.M. Thompson et D.G. Lampard, «A new theorem in electrostatics with applications to calculable standards of capacitance», Nature 177 (1956) 888-890. 2 B.D. Josephson, «Possible new effects in superconductive tunneling», Phys. Rev. Lett. 1 (1962) 251-253. 3 K. von Klitzing, G. Dorda et M. Pepper, «New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance», Phys. Rev. Lett. 45 (1980) 494. 4 W. Poirier et al., «The ampere and the electrical units in the quantum era», Comptes Rendus Physique 20 (2019), https://doi.org/10.1016/j.crhy.2019.02.003. 5 J. Brun-Picard et al., «Practical quantum realization of the ampere from the elementary charge», Phys. Rev. X 8 (2016) 041051. 6 R. Ribeiro-Palau et al., «Quantum Hall résistance standard in graphene devices under relaxed experimental conditions», Nat. Nanotechnol. 10 (2015) 965-971.
Le kelvin révisé Le nouveau Système international d’unités et la constante de BoltzmannLaurent Pitre (laurent.pitre@cnam.fr) et MohamedSadli (mohamed.sadli@cnam.fr) Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, 61 rue du Landy, 93210 Saint-Denis Depuis le 20 mai 2019, l’unité de température thermodynamique, le kelvin, ne repose plus sur une valeur exacte de la température du point triple de l’eau, mais sur une valeur fixe de la constante de Boltzmann. En 2018, le système international d’unités, ou Système international (SI), connaissait sa plus grande révolution depuis la mise en place du système de mètres-kilogrammessecondes (MKS) avec la Convention du mètre de 1875. Désormais, les définitions de cinq des sept unités de base – le mètre, la seconde, le kilogramme, l’ampère et le kelvin – sont formulées à partir des constantes fondamentales dont les valeurs sont fixées, indéfiniment (sauf si un grand bouleversement dans les lois de la physique intervient). En particulier, l’unité de température thermodynamique, le kelvin, ne repose plus sur une valeur exacte de la température du point triple de l’eau (273,16 K) mais plutôt sur une valeur fixe de la constante de Boltzmannk (1,380 649 × 10 -23 J K -1). Redéfinir le kelvin à partir de la constante de Boltzmannk, reliant la température thermodynamique au quantum d’énergie d’agitation thermique, va avoir comme principal avantage de ne favoriser aucune température ni aucune méthode pour sa mesure, alors qu’avec la précédente définition, il était toujours nécessaire de référer toute mesure de température (des très basses températures en dessous de 20 K à la pyrométrie au-dessus de 1000 °C) à la température du point triple de l’eau, 273,16 K. Un peu d’histoire Historiquement, la température a été l’une des premières grandeurs physiques qu’on a cherché à mesurer pendant la Renaissance, à la fin du XVI e siècle. Les premiers thermomètres traçables et interchangeables ont été des thermomètres à dilatation d’alcool liés par construction au point de glace (aujourd’hui 0 °C). Ces thermomètres, très en avance sur leur temps, ont été développés par Torricelli et le duc Ferdinand II de Médicis [1] en 1650 (un siècle avant Celsius), suite au besoin de créer les premières stations météorologiques, établies aux alentours de la ville de Florence entre 1650 et 1665. Alors que le besoin de connaitre la température s’est exprimé si tôt et que la nature intensive de cette grandeur a dicté la nécessité d’une échelle constituée de repères répétables et pratiques, ce n’est que deux siècles plus tard que William Thomson (anobli ensuite et devenu Lord Kelvin) va concevoir une échelle qui permettra de décrire correctement la température dans les relations de la physique. En effet, les relations de la thermodynamique et de la physique statistique n’ont de sens que si la température est nulle lorsque les atomes et les molécules sont au repos absolu. En son honneur, l’unité de température va avoir comme nom le kelvin. Ce n’est qu’au début du XX e siècle que la communauté scientifique a commencé à travailler sur une échelle internationale de température définissant des repères de température sur tout le domaine, ainsi que sur des instruments (thermomètres) permettant d’interpoler entre ou d’extrapoler au-delà de ces repères, appelés points fixes. La température dans l’échelle devait être LNE. 1. Cellule point triple de l’eau, ancienne matérialisation de l’unité de température, désormais un point fixe comme les autres. aussi proche que possible de la température thermodynamique, et c’est cette quête d’équivalence, voire d’égalité, qui a motivé les actualisations de l’échelle de température. Celles-ci se sont succédé jusqu’en 1990, à une cadence moyenne d’une vingtaine d’années et avec toujours le souci de garantir autant que possible une continuité de l’unité et des mesures. Ainsi, pour redéfinir l’unité de température tout en assurant une transition douce, la mesure de la constante de Boltzmann, k, devait se faire au point triple de l’eau [2] (fig. 1). Reflets de la Physique n°62 29



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