Jusqu’à présent, l’effet Hall anormal quantique à champ magnétique nul ne se produisait qu’à des courants très faibles. Cet appareil peut changer cela. Crédit : Fijalkowski/JMU
Des chercheurs de l’Université de Würzburg ont développé une méthode permettant d’améliorer les performances des étalons de résistance quantique. Il est basé sur un phénomène quantique appelé effet Hall anormal quantique.
La mesure précise de la résistance électrique est essentielle dans la production industrielle de produits électroniques, par exemple dans la fabrication de capteurs, de puces électroniques et de commandes de vol de haute technologie. «Des mesures très précises sont ici essentielles, car même les plus petits écarts peuvent affecter de manière significative ces systèmes complexes», explique le professeur Charles Gould, physicien à l'Institut des isolants topologiques de l'université de Würzburg (JMU).
« Grâce à notre nouvelle méthode de mesure, nous pouvons améliorer considérablement la précision de mesures de résistance, sans aucun champ magnétique externe, en utilisant l’effet Hall anormal quantique (QAHE).
Comment fonctionne la nouvelle méthode
Beaucoup de gens se souviennent peut-être de l'effet Hall classique de leurs cours de physique : lorsqu'un courant traverse un conducteur et que celui-ci est exposé à un champ magnétique, une tension est créée – ce qu'on appelle la tension Hall. La résistance Hall, obtenue en divisant cette tension par le courant, augmente à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente. Dans des couches minces et dans des champs magnétiques suffisamment grands, cette résistance commence à développer des gradins discrets avec des valeurs exactement h/ne2, où h est la constante de Planck, e est la charge élémentaire et n est un nombre entier. C'est ce qu'on appelle l'effet Hall quantique car la résistance dépend uniquement des constantes fondamentales de la nature (h et e), ce qui en fait une résistance standard idéale.
La particularité du QAHE est qu’il permet à l’effet Hall quantique d’exister à champ magnétique nul. « L’opération en l’absence de tout champ magnétique externe simplifie non seulement l’expérience, mais donne également un avantage lorsqu’il s’agit de déterminer une autre grandeur physique : le kilogramme. Pour définir un kilogramme, il faut mesurer simultanément la résistance électrique et la tension », explique Gould, « mais la mesure de la tension ne fonctionne que sans champ magnétique, le QAHE est donc idéal pour cela. »
Jusqu'à présent, le QAHE n'a été mesuré qu'à des courants beaucoup trop faibles pour une utilisation métrologique pratique. La raison en est un champ électrique qui perturbe le QAHE à des courants plus élevés. Les physiciens de Würzburg ont désormais trouvé une solution à ce problème. «Nous neutralisons le champ électrique en utilisant deux courants distincts dans une géométrie que nous appelons un dispositif Corbino multiterminal», explique Gould. « Avec cette nouvelle astuce, la résistance reste quantifiée en h/e2 jusqu'à des courants plus importants, ce qui rend la norme de résistance basée sur QAHE plus robuste. »
En route vers une application pratique
Dans leur étude de faisabilité, les chercheurs ont pu montrer que la nouvelle méthode de mesure fonctionne au niveau de précision offert par les techniques de base du courant continu. Leur prochain objectif est de tester la faisabilité de cette méthode à l’aide d’outils métrologiques plus précis. À cette fin, le groupe de Würzburg travaille en étroite collaboration avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Institut national allemand de métrologie, PTB), spécialisé dans ce type de mesures métrologiques ultra précises.
Gould note également : « Cette méthode ne se limite pas au QAHE. Étant donné que l’effet Hall quantique conventionnel connaît des limitations similaires liées aux champs électriques à des courants suffisamment importants, cette méthode peut également améliorer les normes métrologiques de pointe existantes, pour les applications où des courants encore plus importants sont utiles.
