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Quantenstandards für die Realisierung elektrischer Einheiten

Arbeitsgruppe 2.53

Eine präzise Messung der elektrischen Spannung und des Widerstands wird durch die Hilfe fundamentaler Quanteneffekte, dem Josephson-Effekt und dem Quanten-Hall-Effekt, ermöglicht. Damit lassen sich die physikalischen Einheiten Volt und Ohm mit sehr hoher Genauigkeit und weitgehend frei von Einflüssen durch Umgebungsparameter an jedem Ort der Welt reproduzieren.

Auch für die elektrische Stromstärke ist eine Rückführung auf Quantengrößen möglich. Man treibt einzelne Elektronen mit genau bekannter Taktfrequenz f durch einen weniger als einen Mikrometer dünnen ‚Draht’ und erhält einen Strom I=ef. Obwohl konzeptionell einfacher als die Realisierung von Volt und Ohm mit den oben erwähnten Quanteneffekten, ist die so erzeugte Stromstärke bisher zu klein für eine messtechnische Nutzung oder aber nicht präzise genug.

Zwar ist über das Ohmsche Gesetz bei bekannter Spannung und Widerstand auch die elektrische Stromstärke in einem Stromkreis bekannt, jedoch würde eine unabhängige Quanten-Realisierung des Ampere einen experimentellen Test der Konsistenz der Beziehungen zwischen den Fundamentalkonstanten h und e erlauben, wie sie in dem hier abgebildeten "Elektrischen Dreieck" dargestellt sind. Daher werden die Arbeiten an einem Quanten-Strom-Standard in der PTB und in anderen metrologischen Instituten besonders intensiv vorangetrieben.