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Jul 28, 2023

Le NIST améliore son appareil phare pour mesurer la masse

Dans un laboratoire souterrain bien éclairé de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), se trouve une machine électromécanique de la taille d'une pièce appelée balance NIST-4 Kibble. L'instrument peut déjà

Dans un laboratoire souterrain bien éclairé de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), se trouve une machine électromécanique de la taille d'une pièce appelée balance NIST-4 Kibble.

L’instrument peut déjà mesurer la masse d’objets d’environ 1 kilogramme avec autant de précision que n’importe quel appareil au monde. Mais maintenant, les chercheurs du NIST ont encore amélioré les performances de leur balance Kibble en y ajoutant un dispositif sur mesure qui fournit une définition exacte de la résistance électrique. L'appareil s'appelle l'étalon de résistance quantique à matrice Hall (QHARS) et se compose d'un ensemble de plusieurs appareils plus petits qui utilisent une bizarrerie de la physique quantique pour générer des quantités extrêmement précises de résistance électrique. Les chercheurs décrivent leurs travaux dans un article de Nature Communications.

Cette amélioration devrait aider les scientifiques à utiliser leurs balances pour mesurer des masses inférieures à 1 kilogramme avec une grande précision, ce qu'aucune autre balance Kibble n'a fait auparavant.

Les mesures NIST-4 ont été utilisées pour aider les scientifiques à redéfinir le kilogramme, l'unité de masse fondamentale du Système international d'unités (SI), en 2019. Tout ce qui doit être pesé repose sur cette nouvelle définition de la masse.

Le nouveau dispositif QHARS sur mesure est un exemple d'étalon de mesure : un objet ou un instrument qui a une relation prédéfinie avec une quantité physique telle que la longueur, le temps ou la luminosité. La norme dans ce cas est un appareil électrique qui utilise des principes quantiques pour générer une quantité précise de résistance électrique. Cette résistance générée sert alors de référence lors du fonctionnement de la balance Kibble.

Avant ces travaux, la balance NIST-4 Kibble reposait sur un instrument standard différent qui fournissait également une définition exacte de la résistance électrique. Mais ce dispositif n'a pas pu être directement intégré à la balance pour des raisons techniques.

Pour contourner ce problème, les chercheurs ont dû prendre un autre objet, appelé artefact, et utiliser la norme pour calibrer ou évaluer cet artefact. Ils ont ensuite utilisé l’artefact directement avec la balance NIST-4 Kibble. La nouvelle configuration élimine le besoin d’un artefact de résistance et améliore la précision de la balance.

"L'étape supplémentaire consistant à calibrer une résistance réduisait la précision des mesures de masse", a déclaré Darine Haddad du NIST. « Comme nous utilisons désormais un étalon quantique directement au lieu d'un artefact, nous éliminons complètement l'étape d'étalonnage. Cela réduit l’incertitude sur la résistance », ce qui signifie une amélioration significative de la précision de la résistance.

Dilemme « actuel »

La balance NIST-4 Kibble fonctionne en comparant la force mécanique à la force électromagnétique. En un mot, une masse repose sur la balance et la gravité la tire vers le bas. Les chercheurs pompent ensuite du courant à travers une bobine de fil située dans un champ magnétique, et ce courant électrique pousse la masse vers le haut, la faisant effectivement léviter dans les airs. Les scientifiques mesurent la quantité de courant nécessaire pour faire flotter l'objet et l'équilibrent exactement. Si vous pouvez mesurer le courant, vous pouvez déterminer la masse de l'objet.

Mais pour que cela fonctionne, les scientifiques doivent connaître exactement la quantité de courant qui traverse la bobine avec un degré élevé de précision. Pour ce faire, ils mesurent deux autres valeurs plus faciles à mesurer : la tension et la résistance.

Un étalon de tension quantique est déjà intégré à l’appareil. Mais l'étalon de résistance quantique n'a pas pu être utilisé directement car le dispositif traditionnel, constitué d'arséniure de gallium (GaAs), ne peut pas fonctionner correctement avec les quantités de courant relativement importantes nécessaires pour faire léviter un objet à l'échelle macro comme un objet à 50 ou 100 ou même Masse de 1 000 grammes. Ainsi, l’appareil GaAs a été utilisé séparément pour mesurer la résistance d’un objet fraîchement calibré qui est ensuite inséré dans le NIST-4 et utilisé dans la mesure réelle.

Nouveau QHARS à la rescousse

Pour résoudre ce problème, le NIST a conçu et testé un nouveau type de dispositif à résistance quantique : le QHARS. Au lieu de GaAs, cet instrument est constitué de graphène – une feuille d’atomes de carbone d’une seule épaisseur atomique qui est un sujet brûlant depuis de nombreuses années en raison de ses promesses dans diverses utilisations, y compris une électronique plus rapide et flexible.