Des chercheurs de l’université d’Aalto proposent une méthode pour convertir la fréquence en énergie.
Le système de mesure le plus couramment utilisé dans le monde, le système international d’unités (SI), a été redéfini en 2019. Depuis lors, les unités doivent être définies en fonction des constantes de la nature – c’est-à-dire des règles de la nature qui sont fixes et sans incertitude, comme la vitesse de la lumière – et non en fonction de références arbitraires.
Cela a nécessité de nouvelles recherches pour relier les nombreuses unités du système aux constantes par des réalisations expérimentales.
“La redéfinition a entraîné le besoin de nouvelles réalisations”, déclare le professeur Jukka Pekola.
Des chercheurs de l’université d’Aalto ont trouvé une nouvelle méthode prometteuse pour relier le watt (l’unité de puissance) aux constantes de la nature. Ils pensent que leur méthode pourrait ouvrir la voie à un nouvel étalon de puissance, c’est-à-dire à une nouvelle façon de produire une quantité de puissance connue a priori à laquelle d’autres sources d’énergie et détecteurs peuvent être comparés.
Les chercheurs ont mis au point un dispositif qui convertit la fréquence en puissance. La fréquence est une quantité qui peut être fixée avec une faible incertitude, et elle constitue donc une base solide pour une nouvelle norme.
Puissance mesurée à différents points de fonctionnement du dispositif (en haut). Ses valeurs sont des multiples entiers pairs de Δf, d’où la structure en plateau de cette figure. Le dispositif (en bas) est constitué d’un petit îlot métallique, de fils de source et de drain et d’une électrode de grille. Crédit : Université d’Aalto
“La fréquence peut être définie de manière très, très précise. Si vous pouvez faire en sorte que les autres quantités dépendent de la fréquence de manière connue, vous disposez alors d’un étalon très précis”, explique Pekola.
De plus, les chercheurs ont découvert que cette dépendance obéit à une loi simple avec accuracy and robustness.
“These characteristics increase the chances of using this method as a standard,” says Marco Marín Suárez, a doctoral candidate.
“Basically, this is a potential new way of realizing a watt, or energy flux, just by setting previously known quantities,” describes Marín Suárez.
In the experiment, power is produced with a single-electron transistor in its turnstile operation. This device was previously proved by Pekola to work as a potential standard for the ampere, the unit of electrical current. It is constituted by a small metallic island, source and drain leads and a gate electrode, and it can address very small powers.
The way from a proposal to an actual accepted new standard is long. Aalto researchers hope that their work will next attract the attention of metrologists who would take it further with more precise measurements.
“This first experiment was not on the level of metrology yet. We could demonstrate that this principle works, though, and we have also shown where the main errors come from. It remains to be seen if this comes to be adopted by the metrology community,” Pekola sums up.
The researchers seek now to push their proposal forward by characterizing how well the frequency to power conversion law adjusts to their method. This will increase the accuracy at which small powers can be calibrated.
Reference: “An electron turnstile for frequency-to-power conversion” by Marco Marín-Suárez, Joonas T. Peltonen, Dmitry S. Golubev and Jukka P. Pekola, 20 January 2022, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-021-01053-5
The experiments were conducted at the OtaNano national research infrastructure. Professor Pekola’s group is part of the QTF Centre of Excellence and InstituteQ, the Finnish quantum institute.
