Ces travaux sont un peu à part : dans les archives, ils côtoient des recherches sur les algorithmes quantiques, la correction d'erreurs quantiques et les ordinateurs quantiques, mais le plus proche voisin se trouve à une distance de 0.541, et aucun travail n'est immédiatement adjacent. Néanmoins, le groupe thématique de la carte indique les technologies quantiques, et cet article comble le fossé entre les étalons quantiques et la cryogénie pratique. Le comparateur de courant cryogénique (CCC) est un outil indispensable en métrologie électrique pour étalonner des résistances avec une précision de quelques parties par $10^9$. Traditionnellement, ces instruments sont plongés dans l'hélium liquide, mais son coût et sa disponibilité se dégradent. Les cryocoolers à tube à pulsation permettent d'atteindre des températures inférieures à 4 K sans hélium liquide, mais ils génèrent des vibrations mécaniques qui peuvent dégrader la précision des mesures. De plus, les sondes CCC conçues pour une immersion dans un liquide sont difficiles à refroidir dans une isolation sous vide en raison des nombreux écrans magnétiques emboîtés. Les auteurs résolvent ce problème en utilisant l'hélium gazeux comme milieu d'échange thermique à l'intérieur d'une chambre étanche.
Une chambre à hélium gazeux a été développée, montée sur l'étage à 4 K d'un cryostat à cycle fermé (BlueFors LD250) équipé d'un tube à pulsation. Un CCC commercial 12 bits (développé au PTB) est placé dans cette chambre. De l'hélium gazeux (pureté 99.995 %) est introduit dans la chambre via des vannes à pointeau de précision ; la pression est contrôlée par une jauge Pirani en dessous de 1 kPa et par un manomètre mécanique au-dessus. Pour supprimer le transfert de chaleur par le gaz entre les étages, une section en soufflet est remplie de laine de verre cylindrique. Des ancrages thermiques en cuivre sans oxygène relient le tube de support du CCC aux premier et deuxième étages du réfrigérateur via des tresses de cuivre de section 8 mm². Pour évaluer les caractéristiques métrologiques, des mesures du rapport de résistances 10 kΩ/100 Ω (enroulements 4000:40) et de l'effet Hall quantique (QHR) par rapport à 100 Ω (enroulements 4001:31) ont été effectuées. Les mesures ont été réalisées avec inversion du courant pour compenser la dérive.
À une pression d'hélium d'environ 20 Pa, l'amplitude de la courbe flux-tension du SQUID a atteint la saturation et est devenue égale à la valeur obtenue avec refroidissement liquide (~88 mV). Les mesures du rapport 10 kΩ/100 Ω ont montré une dépendance en bruit blanc jusqu'à un temps de moyennage de $10^4$ s ; l'incertitude de type A a atteint 1 nΩ/Ω en 1000 s. Pour QHR/100 Ω, l'incertitude de 1 nΩ/Ω a été atteinte en seulement 100 s. La comparaison avec les données obtenues avec refroidissement liquide a révélé que pour QHR/100 Ω, le bruit avec refroidissement gazeux était environ 35 % plus élevé qu'avec refroidissement liquide, mais pour 10 kΩ/100 Ω, aucune différence n'a été observée en raison de la dominance du bruit Johnson de la résistance de 10 kΩ. La vérification des erreurs des rapports d'enroulements en présence d'un champ magnétique de 11 T (pour le QHR) n'a révélé aucune dégradation : toutes les erreurs sont au niveau de $10^{-9}$ ou moins. L'écart moyen des résultats QHR/100 Ω par rapport aux données historiques pour sept résistances était de 0.77 nΩ/Ω avec un écart type de 1.38 nΩ/Ω, et un écart maximal de 2.7 nΩ/Ω. Le système consomme moins de 1 L d'hélium gazeux par cycle thermique (équivalent à 1 mL d'hélium liquide).
Ce travail se distingue de ses voisins dans les archives, car ceux-ci traitent d'algorithmes quantiques et de correction d'erreurs, tandis qu'ici est résolu un problème appliqué : l'intégration d'un étalon quantique dans un cryostat sans liquide. C'est la première démonstration qu'un CCC commercial, conçu pour l'hélium liquide, peut fonctionner dans un environnement gazeux tout en conservant ses caractéristiques métrologiques. La combinaison réussie du CCC et du QHR dans un même réfrigérateur, malgré des exigences contradictoires en matière de champ magnétique (10 T pour le QHR et la sensibilité extrême du SQUID), ouvre la voie à des systèmes compacts et économiques d'étalons quantiques de résistance. La réduction de la consommation d'hélium, passant de litres d'hélium liquide à moins de 1 litre de gaz par cycle, est cruciale dans le contexte de la pénurie mondiale d'hélium.
Le sujet pourrait évoluer vers une réduction supplémentaire du bruit provenant du tube à pulsation. L'annexe montre que le bruit haute fréquence (au-dessus de 80 Hz) augmente lorsque le tube à pulsation fonctionne, et bien qu'un effet direct sur les mesures DC n'ait pas été prouvé, une rectification non linéaire dans le SQUID est possible. Les recherches futures pourraient inclure une isolation antivibratoire active, l'optimisation de la chambre à gaz, ou l'utilisation de cryocoolers alternatifs avec moins de vibrations. Il serait également prometteur d'étendre la gamme des résistances mesurables et d'intégrer d'autres étalons quantiques (par exemple, l'étalon quantique de courant).
Ces travaux influenceront les instituts nationaux de métrologie, qui pourront maintenir des étalons quantiques de résistance sans dépendre des approvisionnements en hélium liquide. C'est également important pour les laboratoires développant des étalons quantiques à base de graphène ou d'autres matériaux nécessitant des températures cryogéniques, mais cherchant à être autonomes.
Les prochaines étapes consistent à élucider le mécanisme du bruit accru lors du refroidissement gazeux dans les mesures QHR/100 Ω, éventuellement par corrélation avec les vibrations du tube à pulsation. Il est également prévu d'exploiter le système sur une longue durée pour accumuler des statistiques de stabilité et d'étendre les capacités d'étalonnage à d'autres valeurs de résistance.
En métrologie électrique, un problème non résolu reste l'atteinte de la précision ultime des étalons quantiques dans un environnement de laboratoire réel, en particulier avec des ressources en hélium limitées. Ces travaux relient le problème du bruit des cryocoolers à la précision des mesures DC, ce qui est important pour les futurs étalons primaires. De plus, la question de l'influence des vibrations haute fréquence sur les mesures basse fréquence via les non-linéarités des SQUIDs reste ouverte.
L'hélium gazeux à 4.2 K reste un gaz à une pression inférieure à 100 kPa, il peut donc être utilisé comme milieu d'échange thermique sans risque de condensation. Une consommation de moins de 1 litre de gaz par cycle équivaut à seulement 1 millilitre d'hélium liquide, soit des centaines de fois moins que les cryostats traditionnels.
Dans le roman d'Arcadi et Boris Strougatski « Le lundi commence le samedi », l'institut magique NIIChAVO est confronté à une pénurie de ressources pour ses expériences. Ici, la science résout le problème de la pénurie d'hélium grâce à une solution d'ingénierie élégante, rappelant la façon dont les héros de science-fiction contournent les contraintes de leur environnement.