Jusqu'en 2018, l'unité SI de masse, le kilogramme, était définie comme la masse d'un objet réel :l'International Prototype Kilogram, conservé dans un local sécurisé en périphérie parisienne. Le 16 novembre 2018, le kilogramme a reçu une nouvelle définition internationalement acceptée, basée sur trois constantes déterminantes :la vitesse de la lumière, la constante de Planck et la fréquence de transition hyperfine du césium. L'une des méthodes pour mesurer une masse basée sur la nouvelle définition est un appareil appelé la balance Kibble.

Malgré la précision actuelle des mesures de cet appareil, ses composants peuvent être améliorés pour réduire les sources d'incertitudes. Grâce à de nouvelles recherches publiées dans EPJ Techniques and Instrumentation , Darine Haddad et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) montrent comment une nouvelle approche optimisée de la conception de la balance Kibble pourrait encore améliorer sa précision.

Aujourd'hui, la balance Kibble permet aux chercheurs de mesurer des masses à grande échelle, en se basant directement sur des principes quantiques fondamentaux. Pour ce faire, deux effets quantiques sont mesurés :l'effet Josephson et la résistance Hall quantique (QHR), une forme quantifiée de résistance électrique, qui peut être mesurée dans des matériaux 2D à basse température, lorsqu'ils sont soumis à de forts champs magnétiques. Actuellement, QHR est réalisé dans une expérience distincte à l'extérieur du système de mesure, introduisant des incertitudes dans la mesure globale de la balance Kibble.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs du NIST développent la suite de métrologie électromécanique quantique (QEMMS). Cet appareil met en œuvre le QHR directement dans le circuit électrique de la balance Kibble et le système de mesure de la tension Josephson, éliminant ainsi toute incertitude d'étalonnage.

Dans leur étude, l'équipe de Haddad présente une conception optimisée pour QEMMS, ciblant des masses allant de 10 à 200 g. Pour des masses de 100g, ils ont montré que des mesures pouvaient être faites avec une incertitude relative de seulement 2x10 ^-8 - offrant des améliorations considérables par rapport aux modèles de balance Kibble précédents. En conséquence, QEMMS pourrait bientôt permettre aux chercheurs d'effectuer des mesures indépendantes et ultra-précises des masses macroscopiques, améliorant ainsi considérablement leurs données expérimentales. + Explorer plus loin

Une nouvelle mesure aidera à redéfinir l'unité de masse internationale