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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

ThemenrundgängeHüterin der Einheiten Das internationale Einheitensystem (SI) > Grundlagenforschung
"Avogadro" und andere Projekte der Grundlagenforschung

Zusätzlich zu den vielen einzelnen Forschungsvorhaben, die sich mit den Grundlagen der Metrologie befassen, gibt es in der PTB einige abteilungsübergreifende Projekte. Sie spannen einen weiten Bogen von metrologischen Detailfragen bis zur Grundlagenforschung in Festkörper- und Materialphysik. Zum Beispiel:

Nachfolger für das "Ur-Kilogramm" gesucht

Unter den experimentellen Arbeiten bildet das Projekt "Avogadro", an dem Mitarbeiter aus mehreren Fachabteilungen mitwirken, einen Schwerpunkt. Die Einheit der Masse wird als einzige der Basiseinheiten bis auf den heutigen Tag durch den Kilogramm-Prototyp verkörpert. Alle übrigen Basiseinheiten können auf physikalische Fundamentalkonstanten oder die Eigenschaften von Atomen bzw. Molekülen zurückgeführt werden. Das Projekt verfolgt daher die Aufgabe, eine Neudefinition der Masseeinheit auf der Grundlage von Atommassen zu realisieren, und koordiniert die dazu in unterschiedlichen Fachbereichen durchgeführten Teiluntersuchungen. Dazu gehört die Bestimmung der Anzahl einer bestimmten Atomsorte in einem Volumen der Masse 1 kg. Die Messmethode basiert auf einer sehr präzisen Bestimmung der Avogadrokonstanten NA an ausgewählten, hochreinen Silizium-Kristallen. Von dieser Aufgabenstellung leiten sich auch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Rahmen der Längen- und Winkelmessung atomar kleiner Größen ab.

Den Elektronen auf der Spur

Röntgenreflektometer

Für viele Fragen der Festkörperphysik und der Technik spielt die genaue Charakterisierung von Grenzflächen eine entscheidende Rolle. Neben der direkten Mikroskopie auf atomarer Ebene werden zwei zusätzliche, komplementäre Methoden eingesetzt: die Röntgen- und die Neutronenreflektometrie. Bei dem Röntgenreflektometer mit Drehanode wird in einem großen Winkelbereich weit außerhalb der Totalreflexion die Intensität des reflektierten Strahls und damit die Elektronendichteverteilung in der Probe gemessen. Thermische Neutronen andererseits dienen als Sonde für Art und Verteilung der Atomkerne in derselben Probe. Hierdurch können die leichten sowie benachbarte Elemente des Periodensystems lückenlos untersucht werden, deren Unterscheidung mit Röntgenphotonen ungleich schwieriger ist. Mit Hilfe beider Methoden kann sowohl auf das Dichteprofil in der Grenzfläche als auch auf Oberflächenrauhigkeiten geschlossen werden. Vielschichtfolgen, z. B. aus der Halbleitertechnik, lassen sich damit quantitativ charakterisieren.

 

Quanten-Hall-Effekt


In den theoretisch ausgerichteten Projekten der Abteilung Q (Wissenschaftlich-Technische Querschnittsaufgaben) stehen Forschungsarbeiten zum tieferen Verständnis des Quanten-Hall-Effekts (QHE) im Vordergrund. Der QHE hat sich inzwischen zum de-facto-Standard für das Ohm entwickelt, obwohl der Effekt theoretisch noch lange nicht vollständig erklärt ist. Es ist nicht einmal unumstritten, ob im realen Festkörper die "von-Klitzing-Konstante" nicht doch geringfügig von h/e2 abweichen darf. In der PTB werden, zusammen mit vielen anderen Forschungsgruppen weltweit, Themen wie die Frequenzabhängigkeit des QHE und der Einfluss der Unordnung sowie der Wechselwirkung der Elektronen untereinander behandelt. In diesem Zusammenhang wurde erstmals die Spinrelaxation in einem wechselwirkenden 2-d-Elektronengas untersucht. Hierzu wurden die Relaxationsgleichungen für die Elektronenspins mikroskopisch hergeleitet. Ganz anders als die von der magnetischen Resonanz bekannten Bloch-Gleichungen sind diese jedoch nicht linear mit Lösungen, die äußerst empfindlich vom Füllfaktor und der Temperatur abhängen. So erhält man z. B. ein Relaxationsverhalten, das nicht wie üblich exponentiell, sondern mit 1/t abfällt.


© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2014-01-31, WEB-Redaktion Seite drucken DruckansichtPDF-Export PDF