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)
-
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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Performances métrologiques des dispositifs2. Principes de base des nanodispositifs monoélectroniques
2.1 Énergie de charge et blocage de Coulomb
Au début des années 1980, les travaux de Fulton et Dolan sur des dispositifs à effet tunnel monoélectronique (SET) ont ouvert la voie à l’électronique à un électron. Les physiciens ont ainsi pu imaginer des nanodispositifs fondés sur le principe du blocage de Coulomb et capables de générer ou de contrôler le passage des électrons un à un à travers un circuit électrique .
Le phénomène de blocage de Coulomb apparaît lorsqu’un morceau de circuit, appelé « îlot », est électriquement isolé du reste du circuit grâce à deux jonctions tunnel (figure 1) [R 910]. Tant que l’énergie des électrons est inférieure à l’énergie de Coulomb, Ec = e2/2CΣ (avec CΣ la capacité totale du transistor), le flux d’électrons est bloqué et le courant est nul. Notons que le contrôle de la température est nécessaire, avec T < Ec/kB.
Le système peut être débloqué de deux manières : en appliquant une tension de polarisation suffisante aux bornes du dispositifs ou en modifiant l’énergie électrostatique et, par conséquent, l’état de charge de l’îlot avec une tension Vg appliquée à une électrode de grille (figure 1)....
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Principes de base des nanodispositifs monoélectroniques
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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