Une nouvelle génération d'étalons quantiques fondée sur l'effet Hall quantique

par Jérémy Brun-Picard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique Mailly.

Soutenue le 07-12-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) , Laboratoire national de métrologie et d'essais (France) (laboratoire) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Sophie Guéron.

Le jury était composé de Dominique Mailly, Sophie Guéron, Christophe Chaubet, Walter Escoffier, Pierre Gournay.

Les rapporteurs étaient Christophe Chaubet, Walter Escoffier.


  • Résumé

    Le futur Système International d'unités, fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que son homologue en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T⋍10 K), des champs magnétiques plus faibles (B ⋍ 3,5 T) et des courants de mesures plus importants (I⋍500 μA). Dans une optique de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ.Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques de tension et de résistance dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 μA jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre.

  • Titre traduit

    a new generation of quantum standard based on the quantum hall effect


  • Résumé

    The future International System of Units, based on fundamental constants, will allow to take full advantage of the quantum standards of resistance, current and voltage that are linked to the planck constant and the elementary charge only.In this thesis, we have developed and studied a resistance standard based on the quantum Hall effect in graphene obtained by chemical vapor deposition (propane/hydrogen) on silicon carbide substrate. For the first time we were able to show that a graphene resistance standard could operate at more practical experimental conditions than its counterpart in GaAs/AlGaAs, ie at higher temperatures (T⋍10 K), weaker magnetics fields (B ⋍ 3,5 T) and larger measurement currents (I⋍500 μA). From an understanding and improvement perspective, we have analyzed the fabrication process of the Hall bar and its reproducibility, tested a method to modify the electronic density, and investigated the quantum Hall effect dissipation mechanisms.In a second part, we have demonstrated that it was possible torealize a programmable and versatile quantum current source from the elementary charge, by combining the two quantum standards of voltage and resistance in a quantum circuit integrating a cryogenic current comparator. Currents were generated in the range from 1 μA to 5 mA, with a relative uncertainty never achieved before of 10⁻⁸. We have also showed that this current standard, realizing the new definition of the ampere, could be used to calibrate an ammeter.


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