Thèse soutenue

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

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Auteur / Autrice : Jérémy Brun-Picard
Direction : Dominique Mailly
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 07/12/2018
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
Laboratoire : Laboratoire national de métrologie et d'essais (France) - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
Jury : Président / Présidente : Sophie Guéron
Examinateurs / Examinatrices : Dominique Mailly, Sophie Guéron, Christophe Chaubet, Walter Escoffier, Pierre Gournay
Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Chaubet, Walter Escoffier

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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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.