Study of single electron tunneling devices for electrical metrology : a contribution to the metrological triangle experiment
Application en métrologie électrique de dispositifs monoélectroniques : vers une fermeture du triangle métrologique
Résumé
In the perspective of a modification of the Système international d'unités (SI), LNE is developing the metrological triangle experiment (MTE). This experiment consists in applying Ohm's law with three quantum phenomena : quantum Hall effect for resistance, Josephson effect for voltage and the single electron tunneling effect (SET) for the current in order to improve our knowledge of the coherence of the constants involved in these effects.
In this framework, we investigated in this thesis the ability of a 3 junctions R-pump to have metrological properties up to 10 pA. Our experimental set-up is designed to have a direct measurement of the quantized current generated by the pump using a Cryogenic Current Comparator (CCC).
The main results presented were obtained with a PTB made R-pump with a CCC used in internal feedback, i.e. used only as an amplifier of current, then giving only a relative value of the current. With these experiments we observed current steps up to about 16 pA and long term measurements showed that the pumping frequency had no effect on the type A uncertainty of the current generated by the pump up to 100 MHz. In this case, the measured white noise level is roughly 10-15 fA/Hz^(1/2). After 7 hours of measurement with a pumping frequency of 100 MHz, we achieved a relative type A uncertainty of 4 parts in 10^(6).
The last part of the thesis is dedicated to the first direct realization of the MTE. In this experiment, the current generated by the pump flows through a calibrated resistor and the voltage drop at its terminals is compared to the voltage generated by a Josephson array. The first measurements are presented and look promising.
In this framework, we investigated in this thesis the ability of a 3 junctions R-pump to have metrological properties up to 10 pA. Our experimental set-up is designed to have a direct measurement of the quantized current generated by the pump using a Cryogenic Current Comparator (CCC).
The main results presented were obtained with a PTB made R-pump with a CCC used in internal feedback, i.e. used only as an amplifier of current, then giving only a relative value of the current. With these experiments we observed current steps up to about 16 pA and long term measurements showed that the pumping frequency had no effect on the type A uncertainty of the current generated by the pump up to 100 MHz. In this case, the measured white noise level is roughly 10-15 fA/Hz^(1/2). After 7 hours of measurement with a pumping frequency of 100 MHz, we achieved a relative type A uncertainty of 4 parts in 10^(6).
The last part of the thesis is dedicated to the first direct realization of the MTE. In this experiment, the current generated by the pump flows through a calibrated resistor and the voltage drop at its terminals is compared to the voltage generated by a Josephson array. The first measurements are presented and look promising.
Dans l'optique d'une modification du système international d'unités (SI), le LNE développe l'expérience du triangle métrologique (ETM). Cette expérience consiste à appliquer la loi d'Ohm à l'aide des effets Hall quantique pour la résistance, Josephson pour la tension et tunnel à un électron (SET) pour le courant. L'objectif est d'augmenter notre connaissance de la cohérence des constantes impliquées dans ces phénomènes.
Dans ce cadre, nous nous somme intéressés dans cette thèse à la possibilité d'utiliser les pompes à électrons de type R à 3 jonctions de façon métrologique autour de 10 pA. Notre montage expérimental est conçu afin de mesurer le courant quantifié généré par le dispositif en utilisant un comparateur cryogénique de courants (CCC).
Les principaux résultats ont été obtenus avec une pompe fabriquée par la PTB couplée à un CCC connecté en contre-réaction interne, i.e. utilisé comme un amplificateur de courant et ne donnant qu'une valeur relative du courant. Ces expériences ont permis de montrer l'existence de marches de courant jusqu'à environ 16 pA et une stabilité du courant généré par le dispositif sur des temps longs, indépendamment de la fréquence de pompage jusqu'à 100 MHz. Le niveau de bruit blanc est de 10-15 fA/Hz^(1/2) et, après 7 heures de mesure à une fréquence de 100 MHz, une incertitude relative de type A de 4.10^(-6) a été atteinte.
La dernière partie de ce travail présente la première réalisation directe de l'ETM. Dans ce cas, le courant généré par la pompe traverse une résistance étalonnée et la tension aux bornes de celle-ci est comparée à la tension délivrée par un réseau Josephson. Les premiers résultats qui sont présentés semblent prometteurs.
Dans ce cadre, nous nous somme intéressés dans cette thèse à la possibilité d'utiliser les pompes à électrons de type R à 3 jonctions de façon métrologique autour de 10 pA. Notre montage expérimental est conçu afin de mesurer le courant quantifié généré par le dispositif en utilisant un comparateur cryogénique de courants (CCC).
Les principaux résultats ont été obtenus avec une pompe fabriquée par la PTB couplée à un CCC connecté en contre-réaction interne, i.e. utilisé comme un amplificateur de courant et ne donnant qu'une valeur relative du courant. Ces expériences ont permis de montrer l'existence de marches de courant jusqu'à environ 16 pA et une stabilité du courant généré par le dispositif sur des temps longs, indépendamment de la fréquence de pompage jusqu'à 100 MHz. Le niveau de bruit blanc est de 10-15 fA/Hz^(1/2) et, après 7 heures de mesure à une fréquence de 100 MHz, une incertitude relative de type A de 4.10^(-6) a été atteinte.
La dernière partie de ce travail présente la première réalisation directe de l'ETM. Dans ce cas, le courant généré par la pompe traverse une résistance étalonnée et la tension aux bornes de celle-ci est comparée à la tension délivrée par un réseau Josephson. Les premiers résultats qui sont présentés semblent prometteurs.
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