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28. November 2016

Physik im Umbruch: Naturkonstanten Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere werden genauer definiert

Die Welt der Physik ist im Umbruch: Bis 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Basiseinheiten auf ein solides, unveränderliches Fundament stellen – die Naturkonstanten. Die Einheiten Meter und Sekunde sind diesbezüglich schon vor Jahren vorangeprescht, nun sollen Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere folgen. Die Forschungsarbeiten an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) tragen zum Gelingen dieses Vorhabens bei. So ist es PTB-Forschern jetzt gelungen, die besonders kleinen Stromstärken einer Einzelelektronen-Pumpe in bisher unerreichter Genauigkeit zu messen – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Revision des Internationalen Einheitensystems (SI).
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Die heutige Definition des Ampere ist alles andere als günstig: Sie basiert auf einem hypothetischen Versuchsaufbau, der unter anderem zwei unendlich lange Leiter beinhaltet. In diesem Aufbau würde ein Ampere eine genau festgelegte Kraft erzeugen. Die Definition ist folglich eng mit der Masse verknüpft, was den Physikern aufgrund der Instabilität des internationalen Ur-Kilogramms seit langem ein Dorn im Auge ist. Denn die derzeitige Kilogramm-Definition setzt der Genauigkeit, mit der sich das Ampere realisieren lässt, enge Grenzen. Daher wollen die Physiker das Urkilogramm im Jahr 2018 in den Ruhestand schicken und zeitgleich das Fundament des SI grundlegend sanieren.

Um dem Ampere den Sprung auf die Ebene der Naturkonstanten zu ermöglichen, zählen Physiker die Elektronen, die in einer bestimmten Zeiteinheit durch eine nur wenige Nanometer breite Leiterbahn fließen. Das setzt voraus, dass sie den Elektronenfluss manipulieren können, was ihnen mittels einer Einzelelektronen-Pumpe gelingt. Sie pumpt ein Elektron nach dem anderen quasi durch eine Bergkette hindurch, von einem Tal zum nächsten. So ist es möglich, die Elektronen, die im Tal ankommen, zu zählen – und damit die Elementarladung zu bestimmen.

Beim Einsatz der Einzelelektronen-Pumpen mussten sich Physiker aus aller Welt in den vergangenen Jahren zwei wesentlichen Herausforderungen stellen: Zum einen liefern die Pumpen nur sehr kleine Stromstärken, die sich nur schwer messen lassen. Zum anderen kommt es beim Transport der Elektronen zu statistischen Fehlern, beispielsweise wenn ein Elektron wieder zurück in sein Ausgangstal fällt oder zwei Elektronen in dasselbe Tal gepumpt werden. Darunter leidet die Genauigkeit. Für die Pumpfehler wurde bereits eine Lösung entwickelt und mit sehr langsamen Pumpen demonstriert: Die Physiker schalten mehrere Pumpen hintereinander – und zwischen den Pumpen erkennen spezielle Detektoren, ob zu viele oder zu wenige Elektronen das Tal verlassen. Auf diese Weise lassen sich Fehler noch im Pump-Betrieb korrigieren.

Jetzt ist es den Wissenschaftlern der PTB durch innovative Technik auch gelungen, die messtechnische Herausforderung zu meistern. Dank eines neuartigen Verstärkers können die Forscher den kleinen Strom etwa tausendfach verstärken. Kombiniert mit zwei anderen quantenmetrologischen Verfahren ist es dann möglich, kleine Stromstärken mit weltweit unübertroffener Genauigkeit zu messen.

Mit ihrer Arbeit haben die Physiker der PTB gezeigt, dass sich das Ampere mittels kontrolliertem Einzel-Elektronen-Transport deutlich genauer realisieren lässt, als es die klassische Ampere-Definition ermöglicht. „Dabei wurde die Einzel-Elektronenpumpe zwar noch ohne Korrektur betrieben, aber durch die Messung wissen wir jetzt, dass die Fehler in der Tat so klein sind, dass das Korrekturverfahren auch mit schnellen Pumpen funktionieren sollte. Das ist ein echter Meilenstein auf dem Weg zum neuen SI“, sagt Franz Ahlers, Leiter des Fachbereichs „Elektrische Quantenmetrologie“ an der PTB. Der für 2018 geplanten Neudefinition steht somit aus „elektrischer Sicht“ kaum noch etwas im Wege. Da es durch die Neudefinition nur zu sehr kleinen Änderungen bei den elektrischen Einheiten kommt, wird Otto Normalverbraucher von der Revision des SI nichts mitbekommen. Anders sieht es beispielsweise im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik oder der Medizin- und Umweltmesstechnik aus. Dort ermöglicht das neue Ampere die deutlich genauere Kalibrierung von Messinstrumenten.

Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)


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