Développement d’une balance de très haute performance pour la mesure absolue de faibles masses aux meilleures incertitudes, à partir de la constante de Planck

Le domaine des masses et des grandeurs apparentées est entré dans l’ère quantique le 20 mai 2019 en définissant l’unité du kilogramme à partir de la constante de Planck ℎ.

Fort de son expertise sur la balance de Kibble et sa participation à la redéfinition du kilogramme en 2019, le LNE développe une nouvelle activité de recherche portant sur la mesure de faibles masses avec pour ambition de relever des défis de notre société.

Aujourd’hui, les chimistes, les biologistes et les fabricants d’une grande variété de microsystèmes sont demandeurs d’informations pour les mesures de la masse des macromolécules (biologie moléculaire) ou les mesures de d’interaction pointe - échantillon (microscope à force atomique) mais le résultat des pesées obtenu à l’aide de telles balances n’est pas traçable.

L’objectif de la thèse est donc de développer une méthode de métrologie primaire pour la mesure de faibles masses à partir de la constante de Planck en développant une balance à force électrostatique. Cette balance devra permettre de réaliser 1 milligramme avec une incertitude de l’ordre de 10-5 en valeur relative pour devenir la référence primaire de l’unité de masse en France dans le domaine [0,1 mg ; 100 mg].

Plusieurs verrous technologiques seront à surmonter, en particulier :

• La conception et la mise en œuvre d’un condensateur capable de générer des forces verticales de 10 micronewtons avec une résolution meilleure que le nanonewton ;
• La conception d’un dispositif permettant de comparer le poids de la masse inconnue à une force électrostatique avec l’exactitude nécessaire ;
• La détermination du gradient de capacité du condensateur ;
• La maîtrise de la température des électrodes et du dispositif expérimental au niveau du millikelvin pour limiter l’influence de la température sur le gradient de capacité. Les différents éléments de la balance (dont les plus importants sont déjà disponibles au laboratoire) devront être assemblés et caractérisés pour obtenir une balance fonctionnelle accompagnée d’un bilan d’incertitude visant l’état de l’art.

Le travail sera en large partie expérimental mais nécessitera également simulations numériques et conceptions.

Leader dans l’univers de la mesure et des références, jouissant d’une forte notoriété en France et à l’international, le LNE soutient l’innovation industrielle et se positionne comme un acteur important pour une économie plus compétitive et une société plus sûre.

 Au carrefour de la science et de l’industrie depuis sa création en 1901, le LNE offre son expertise à l’ensemble des acteurs économiques impliqués dans la qualité et la sécurité des produits.

Pilote de la métrologie française, notre recherche est au cœur de notre mission de service public et constitue un facteur fondamental au soutien de la compétitivité des entreprises. 

Nous avons à cœur de répondre aux exigences des industriels et du monde académique, pour des mesures toujours plus justes, effectuées dans des conditions de plus en plus extrêmes ou sur des sujets innovants tels que les véhicules autonomes, les nanotechnologies ou la fabrication additive.

Vous êtes titulaire d’un Master 2 en lien avec les domaines suivants : physique appliquée, électromécanique, instrumentation, électricité-magnétisme.

Vous disposez d’un goût pour la mesure et l’instrumentation et vous appréciez le travail d’équipe.

Vous êtes reconnu.e pour votre rigueur, votre dynamisme et votre créativité. Vous savez être force de proposition. Ces qualités vous permettront de mener à bien vos missions.

Une aptitude à la rédaction de rapport est indispensable.

Maîtrise de l’anglais (oral et écrit).