Une nouvelle étape franchie dans la quête du kilogramme
Des scientifiques ont réussi à compter avec une exactitude sans précédent le nombre d'atomes d'un cristal de silicium, ce qui représente une avancée majeure dans la définition du kilogramme (kg) à partir de constantes physiques. L'étude a été en partie soutenue par l'UE via le projet IMERA Plus («Implementing metrology in the European research area - plus»). Ses résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters. Le projet IMERA Plus a reçu 21 millions d'euros via le budget «Coordination des activités de recherche» du septième programme-cadre (7e PC). Il regroupe des instituts nationaux de recherche en métrologie de plusieurs pays d'Europe afin de s'attaquer à des questions fondamentales comme la définition du kilogramme. Aujourd'hui, la plupart des mesures s'appuient sur des constantes physiques. Par exemple, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) définit le mètre comme étant «la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299792458 de second». De son côté, la seconde est «la durée de 9192631770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état de base de l'atome de césium 133». À ce jour, un seul étalon a résisté à ce type de définition, le kilogramme. Il est toujours défini par le BIPM comme «égal à la masse de l'étalon international du kilogramme». Cet étalon international est un cylindre de platine iridié (Pt-Ir) conservé dans les locaux du BIPM, à Paris, en France. Cependant, et bien qu'il soit conservé avec le plus grand soin dans des conditions contrôlées, sa masse n'est pas restée constante: les scientifiques estiment qu'elle a diminué d'environ 50 microgrammes au cours du siècle écoulé. On recherche donc une définition claire et fixe du kilogramme. Depuis 2003, le projet international Avogadro, coordonné par le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne, cherche à définir le kilogramme à partir du nombre d'Avogadro. Pour un élément donné, la constante d'Avogadro indique le nombre d'atomes dont la masse en grammes est équivalente au poids atomique. Les chercheurs soulignent donc que le nombre d'Avogadro «relie les propriétés atomiques et macroscopiques de la matière». L'équipe internationale de chercheurs s'est attachée à mesurer le nombre d'atomes contenu par un cristal de silicium de un kilogramme. Cet élément a été choisi car on sait faire croître des cristaux extrêmement purs, de grande taille et quasiment parfaits. Le but du projet est de mesurer le nombre d'Avogadro d'un tel cristal avec une incertitude de 2 x 10 à la puissance -8. La procédure s'est appuyée sur l'expertise d'instituts de métrologie dans le monde entier. Les chercheurs ont utilisé deux sphères polies en Australie. Ils ont évalué la perfection des cristaux ainsi que l'influence de défauts dans le maillage cristallin. L'institut italien de métrologie (INRIM) a utilisé l'interférométrie en rayons X pour évaluer ce dernier facteur. Ses résultats ont été confirmés par des mesures comparatives effectuées par le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis sur un cristal naturel de silicium. La masse de chaque sphère de silicium a été comparée avec celle des étalons conservés au BIPM, au PTB et à l'institut national japonais de métrologie (NMIJ). La couche de silice à la surface des sphères a été soumise à plusieurs tests, y compris à l'aide de rayons X et d'un rayonnement synchrotron. Les chercheurs ont mesuré la contamination de la surface par des silicates de cuivre et de nickel, et ont évalué son influence sur le volume et la masse des sphères. Enfin, l'équipe du PTB a utilisé une nouvelle méthode par spectrométrie de masse pour déterminer la masse molaire des sphères. Finalement, les chercheurs ont pu compter le nombre d'atomes dans les échantillons, avec une incertitude de seulement 3 x 10 puissance -8: «La valeur obtenue ... est la plus exacte à ce jour dans l'optique d'une nouvelle définition du kilogramme», soulignent-il. Le PTB déclare: «Ce résultat est une étape majeure dans la réalisation de la nouvelle définition du kilogramme à partir de constantes fondamentales dont les valeurs ont été déterminées.» Les chercheurs soulignent cependant que leur définition n'est pas encore suffisante pour remplacer le kilogramme-étalon de Paris. Il leur faudrait pour cela atteindre une incertitude de 2.10-8 comme le requiert le Comité consultatif pour la masse (CCM) du BIPM. Il semble cependant que les jours soient comptés pour le cylindre métallique conservé à Paris. Les chercheurs concluent: «L'accord entre les diverses méthodes n'est pas encore suffisant pour mettre à la retraite l'étalon en platine iridié, mais au vu des résultats acquis et des améliorations envisagées, il semble réaliste de penser atteindre l'incertitude visée dans un futur prévisible.»Pour de plus amples informations, consulter: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): http://www.ptb.de Physical Review Letters: http://prl.aps.org/ European Association of National Metrology Institutes (EURAMET): http://www.euramet.org/ Bureau international des poids et mesures (BIPM): http://www.bipm.org
Pays
Australie, Belgique, Suisse, Allemagne, France, Italie, Japon, États-Unis