La nanoélectronique au service de la métrologie de l’ampère

1 - Place des nanodispositifs électroniques dans le futur Système international d’unités

2 - Principes de base des nanodispositifs monoélectroniques

• 2.1 - Énergie de charge et blocage de Coulomb
  Figure 1 - a) représentation schématique d’un îlot métallique dont l’état de charge est contrôlé par une électrode de grille, b) courant drain-source en échelle logarithmique montrant les oscillations de Coulomb mesuré à deux températures
• 2.2 - Nanodispositifs monoélectroniques en métrologie
  Figure 2 - Pompe à trois jonctions Figure 3 - Diagramme de stabilité dans le plan V g1⊗V g2 montrant les configurations stables (n 1,n 2) du nombre d’électron en excès sur chaque îlot [10]. Les mesures ont été effectuées à 50 mK Figure 4 - Séquence des différentes configurations stables se produisant en tournant autour d’un point noté P Figure 5 - Potentiel électrostatique au moment de l'entrée et de la sortie d'un électron dans le dispositif Figure 6 - Évolution de l'énergie du niveau d'énergie ε localisé dans la boîte quantique et mécanismes possibles pour l'entrée ou sortie d'un électron Figure 7 - Évolution des barrières tunnel Γ 1 et Γ 2 Figure 8 - Représentation schématique du diagramme de bandes d’un dispositif hybride SINIS avec (a) tension de polarisation nulle et (b) une tension de polarisation V. Sur le schéma (b), la distribution de Fermi se rétracte du fait d'un refroidissement de l’îlot métallique dans l’état normal [22] Figure 9 - Diagrammes de phase, a) d’un transistor métallique dans l’état normal et b) d’un transistor hybride SINIS avec des énergies de Coulomb et de bande interdite BCS égales. Les zones grisées représentent les domaines de stabilité où le nombre d’électrons supplémentaires sur l’îlot est fixé

3 - Performances métrologiques des dispositifs

• 3.1 - Pompe classique en aluminium
  Figure 10 - Séries de « marches de courant » pour différentes fréquences f SET appliquées sur les électrodes de grilles (de 10 MHz à100 MHz, à 50 mK). En encart, image en microscopie électronique à balayage d’une pompe à trois jonctions équipée de microrésistances en chrome (PTB) Figure 11 - Vue grossie de deux « marches » équivalentes à celles données en figure 10 et obtenues avec une fréquence f SET respectivement de 10 MHz et 30 MHz
• 3.2 - Nanofil en GaAs
  Figure 12 - Images au microscope optique (à gauche) et électronique (à droite) d’une pompe non adiabatique AlGaAs/GaAs de la PTB
• 3.3 - Nanodispositifs en silicium
  Figure 13 - a) Image en microscopie électronique à balayage d’un nanofil de silicium (LETI), (b) vue en coupe et (c) schéma du dispositif
• 3.4 - Tourniquets hybrides

4 - Ponts de mesure

• 4.1 - Montage avec une capacité, CdV/dt
  Figure 14 - a) schéma électrique de mesure d’un nanodispositif SET. L’ampèremètre utilisé à une impédance d’entrée r. [27] ; b) exemple de mesures brutes avec les différentes phases d’état du système
• 4.2 - Comparateur cryogénique de courant
  Figure 15 - a) schéma de la structure toroïdale d’un comparateur cryogénique de courants ; b) schéma de principe du CCC : l’intensité du supracourant qui circule à la surface du blindage toroïdale est I = N 1 · I 1 + N 2 · I 2 Figure 16 - Schéma électrique de couplage entre le CCC et le SQUID DC
• 4.3 - Électromètres à nanodispositifs monoélectroniques

5 - Le nanodispositif monoélectronique au cœur de la future réforme du SI

• 5.1 - Vers une définition quantique de l’ampère
• 5.2 - Triangle métrologique
  Figure 17 - Principe de l’expérience du triangle métrologique dans sa version directe : U J = R H · I SET Figure 18 - Représentation schématique du montage expérimental du TMQ dans sa version directe au LNE :U J = R Hx I SET Figure 19 - Principe de la mesure en créneaux le sens du courant est changé périodiquement pour s’affranchir du bruit en 1/f et annuler les offsets et dérive des instruments
• 5.3 - Détermination de la charge élémentaire, e
  Figure 20 - Montage expérimental de Millikan en 1913. Chaque gouttelette est caractérisée par deux paramètres : son rayon r et sa charge q

6 - Conclusion et perspectives