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La sphère la plus ronde du monde (et d'ailleurs)

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Cette boule de pétanque est en silicium constitué de l’isotope 28 Si à 99,998%. Des procédés chimiques et physiques sophistiqués sont utilisés pour la fabriquer avec une précision sans pareille. Cela vaut la peine : elle doit contribuer à la nouvelle définition du kilogramme qui devrait être officialisée en 2018 à la Conférence générale des poids et mesures.

La sphère la plus ronde du monde (et d'ailleurs)

2018. Ce n’est pas un anniversaire de la Révolution, mais ce sera peut-être un vrai bouleversement dans un domaine où la révolution française a joué son rôle : la métrologie et la définition des unités de base pour "tous les temps et tous les peuples" (Condorcet).

En effet, si tout va bien, la Conférence générale des poids et mesures devrait, dans trois ans, promulguer la nouvelle définition des 7 unités de base du système international, sur lesquelles sont fondées toutes les mesures physiques. Chacune de ces unités (seconde, mètre, kilogramme, ampère, kelvin, mole, candela) sera alors définie par rapport à une constante fondamentale de la physique, par définition invariable.  Et non plus par référence à un objet plus ou moins altérable, comme c’est encore le cas du kilogramme : la masse d’un cylindre de platine/iridium conservé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres (France).

Pour tous les temps

C’est pour donner enfin au kilogramme une définition "pour tous les temps" que les chercheurs du PTB (l’institut allemand de métrologie), entre autres, fabriquent des sphères de silicium considérées comme "les plus rondes du monde". L’idée est qu’en mesurant le diamètre de ces sphères au nanomètre près, et en comptant le nombre d’atomes qu’elles contiennent avec une précision non moindre, ils calculent le nombre d’Avogadro (6,02214x1023 aux dernières nouvelles) qui lui-même permet de calculer la constante de Planck : soit l’objectif visé.

Les chercheurs ne sont pas encore satisfaits de la précision obtenue - des objectifs ont été fixés pour que la redéfinition du kilo soit considérée comme valide. Ils utilisent des techniques interférométriques pour mesurer la géométrie des sphères, et la cristallographie pour compter les atomes. Mais le défi est dans la fabrication des sphères.

Alliés russes

Les métrologues du PTB ont trouvé des alliés en Russie. Des centrifugeuses, à Zelenogorsk, pour obtenir le silicium avec la pureté isotopique maximale (28Si à 99,998%). L’enrichissement par centrifugation opère sur un gaz, SiF4, converti ensuite en silane (SiH4) , puis en silicium. C’est un institut spécialisé dans les substances de haute pureté, à Nijni Novgorod, qui réalise cette chimie complexe. Avec cette matière première, un laboratoire berlinois se charge ensuite de faire croître un monocristal sans défaut. Et c’est finalement au PTB que sont réalisées les sphères.

D’autres instituts de métrologie travaillent sur ce projet de redéfinition du kilogramme à partir des sphères de silicium (voir le projet Avogadro). Et d’autres laboratoires ont choisi une approche complètement différente pour le même but, avec des "balances de watt". Le rendez-vous est fixé en 2018, en espérant une convergence des résultats... ou un compromis.

Thierry Lucas

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