Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Depuis quelques années, les procédés de nanofabrication ont permis l’élaboration de dispositifs électroniques capables de générer des courants quantifiés. Les nanodispositifs monoélectroniques sont plus simples, plus performants, ils peuvent pomper à des fréquences plus grandes et être associés en parallèle. Ces atouts leur confèrent des qualités qui font d’eux de vrais outils métrologiques. Ces dispositifs pourraient ainsi se placer au cœur même de la future réforme du Système International, qui vise à redéfinir certaines unités de base. Dans ce contexte, l’utilisation des nanodispositifs monoélectroniques permettrait de définir un ampère quantique où l’unité du courant électrique serait directement reliée à la charge élémentaire, e.
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For several years, nanofabrication processes have allowed for the development of electronic devices capable of generating quantified currents. Nanoscale mono-electronic devices are simpler, more efficient; they can pump at higher frequencies and can also be associated. Due to these strong characteristics they are real metrological tools. These devices could be placed at the core of the future reform of the International System that aims to redefine certain basic units. In this context, the use of nanoscale mono-electronic devices would help define a quantum ampere where the unit of electric current is directly related to the elementary charge, e.
Auteur(s)
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Nicolas FELTIN : Ingénieur de recherche au LNE, Laboratoire national de métrologie et d’essais, Trappes - Responsable de mission amont en nanométrologie
-
Xavier JEHL : Physicien au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, centre de Grenoble
INTRODUCTION
La maîtrise des moyens de nanofabrication a permis aux physiciens d’élaborer des dispositifs électroniques capables de générer des courants quantifiés. Les premières pompes à électrons étaient fondées sur l’effet tunnel monoélectronique et étaient constituées de barrières tunnel fixes et d’îlots métalliques. Ces dispositifs ont ouvert la voie à l’électronique à un électron mais ne peuvent générer que de très faibles courants ne dépassant pas 10 pA (10−11 A). Depuis une décennie, de nouveaux nanodispositifs apparaissent. Ils sont capables de pomper les électrons à des fréquences plus grandes, sont plus simples à utiliser et peuvent être associés en parallèle. Ils peuvent ainsi devenir des outils métrologiques avec des perspectives intéressantes pour la métrologie de l’ampère. Nous présenterons dans cet article les nanodispositifs électroniques qui semblent actuellement les plus prometteurs pour atteindre cet objectif.
D’autre part, le monde de la métrologie se prépare pour de profondes modifications du système d’unités (SI). L’ensemble des instituts nationaux de métrologie (INM) est en effet impliqué dans un projet historique qui vise à redéfinir certaines unités de base à partir de valeurs fixées d’un nombre restreint de constantes fondamentales. Ces constantes de la nature présentent des avantages considérables et conféreraient au futur système SI une base solide. En effet, elles décrivent les propriétés universelles de la matière et de ses interactions, et sont indépendantes de tout système référentiel considéré, ainsi que de sa position dans l’espace et le temps. Dans ce contexte, l’utilisation de nanodispositifs monoélectroniques permettrait de définir un ampère quantique où l’unité du courant électrique serait directement reliée à la charge élémentaire, e.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1984 par Jean-François SULZER
- Version archivée 2 de janv. 1996 par Jean-François SULZER, Lionel VERNERIE
DOI (Digital Object Identifier)
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Ponts de mesure3. Performances métrologiques des dispositifs
Les propriétés métrologiques des pompes à électron ont été intensivement étudiées mais leur développement a cessé depuis plusieurs années devant l’impossibilité d’espérer une augmentation significative de l’intensité du courant. L’espoir s’est donc cristallisé sur les nanodispositifs non adiabatiques. Les premières expériences de pompage non adiabatique ont été réalisées en même temps sur des systèmes semi-conducteurs différents, à savoir dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs et des nanofils de silicium. Les résultats obtenus avec ces dispositifs et les évolutions récentes sont présentées aux paragraphes 3.2 et 3.3. Les résultats préliminaires concernant le transistor ou tourniquet hybride sont aussi donnés dans cette partie.
3.1 Pompe classique en aluminium
La figure 10 montre des « marches de courant » dans le domaine de fréquences fSET de 10 MHz à 100 MHz obtenues avec une pompe métallique équivalente à celle représentée en encart et fabriquée par l’institut de métrologie allemand PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt). Il s’agit d’une pompe métallique en aluminium, composée de trois jonctions formant deux îlots et équipée de deux grilles.
Le courant de pompage Ipompe est mesuré en fonction de la tension de polarisation, Vb, aux bornes de la pompe. Ces « marches » témoignent de la quantification du courant (Ipompe = e · fSET) sur un certain domaine de tension de polarisation aux bornes du dispositif. Pour une fréquence de 100 MHz, le courant de pompage est de 16,2 pA (1 pA = 10−12 A). Cela correspond au courant maximum que l’on peut espérer générer avec un tel dispositif. Au-delà, le plateau disparaît et l’on perd la quantification. Les « marches » négatives ont été obtenues en...
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Performances métrologiques des dispositifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BORDE (C.J.) - Fundamental metrology/Métrologie fondamentale - C.R. de l’Académie des sciences, Physique, 5 (2004).
-
(2) - QUINN (T.J.), BURNETT (K.) - Royal Society Discussion Meeting : The fundamental constants of physics, precision measurements and the base units of the SI - Phil. Trans. R. Soc. Lond., A 363, 2097–327 (2005).
-
(3) - PIQUEMAL (F.), JECKELMANN (B.) - Quantum Metrology and Fundamental Constants - Eur. Phys. J. Special Topics, 172 (2009).
-
(4) - * - « Le Système international d’unités », BIPM, 8e édition (2006).
-
(5) - * - « Étapes préalables à de nouvelles définitions du kilogramme, de l’ampère, du kelvin et de la mole en fonction de constantes fondamentales », Recommandation 1 (CI-2005) du CIPM.
-
(6) - EICHENBERGER (A.), GENEVES...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Organisme, Associations, Fédérations
Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), Institut français de métrologie :
Mittatekniikan keskus (MIKES), Institut finlandais de métrologie :
The National Institute of Standards and Technology (NIST), Institut américain de métrologie :
http://www.nist.gov/index.html.
The National Physical Laboratory (NPL), Institut britannique de métrologie :
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Institut allemand de métrologie :
http://www.ptb.de/index_en.html.
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