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Elektrische Quantenmetrologie

Fachbereich 2.6

Aufgaben

In den Arbeitsgruppen des Fachbereichs „Elektrische Quantenmetrologie“ werden die Grundeinheiten der Elektrizität mit Hilfe makroskopischer Quanteneffekte auf Naturkonstanten zurückgeführt. Eine solche von Artefakten unabhängige Rückführung wird Grundlage des neuen internationalen Einheitensystems sein, dessen Einführung für 2018 geplant ist. Im Bereich der elektrischen Einheiten wird die Rückführung auf Naturkonstanten bereits seit 1990 in der Praxis genutzt, da sie mit geringerer Messunsicherheit durchgeführt werden kann, als es im derzeit noch gültigen Einheitensystem der Fall ist.

 

  • In der Arbeitsgruppe 2.61 SET, Stromstärke und Ladung ist es das Ziel, die Einheiten Ampere (A) und Coulomb (C) mit Hilfe des Einzel-Elektronen-Transporteffekts zu reproduzieren. In enger Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen der Fachbereiche 2.4, 2.5 und 7.2 wird damit in Zukunft das Ampere direkt auf die Naturkonstante ‚Elementarladung’ zurückgeführt.
  • In der Arbeitsgruppe 2.62 Quanten-Hall-Effekt, Widerstand erfolgt die Bewahrung und Weitergabe der Widerstandseinheit Ohm bei Gleichstrom mit dem Quanten-Hall-Effekt. Durch den Betrieb von Quanten-Hall-Widerständen mit Wechselstrom ist auch die Rückführung eines Wechselstrom-Widerstandes auf Naturkonstanten möglich, wodurch die Einheit Farad (F) der Kapazität ebenfalls auf Naturkonstanten zurückgeführt wird.
  • Die Arbeitsgruppe 2.63 Josephson-Effekt, Spannung ist mit der Bewahrung und Weitergabe der Einheit Volt mit Hilfe des Josephson-Effektes befasst. Schaltbare Josephson-Elemente erlauben die Reproduzierung praktisch beliebiger Spannungswerte (bis 10 Volt) mit Quantengenauigkeit. Schaltbare oder mit hochfrequenten Pulssequenzen betriebene Josephson-Elemente erlauben die präzise Synthese niederfrequenter Wechselspannungen.

 

Die Arbeiten im Fachbereich 2.6 werden zumeist gemeinsam mit externen Partnern im Rahmen von Kooperationsprojekten in nationalen und europäischen Programmen verfolgt. Sie haben das Ziel, die komplexen Aufbauten zur Realisierung der quantenbasierten Einheiten weiter zu entwickeln und zu vereinfachen. Dies kommt zunächst den dienstleistungs- und kundenorientierten Fachbereichen der PTB zugute, wie z. B. dem Fachbereich 2.1. Aber auch der Einsatz quantenbasierten Normale außerhalb staatlicher Metrologie-Institute wird durch die Arbeiten ermöglicht. Das präzise Messen elektrischer Größen rückt dadurch den Bedürfnissen der Anwender immer näher.

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