Grundlagen der Metrologie
Der Bereich "Grundlagen der Metrologie" umfasst die in der Satzung verankerten Arbeiten zur Darstellung und Weitergabe der SI-Einheiten und der gesetzlichen Zeit. Hierzu gehören insbesondere die Entwicklung und Bereitstellung von Primärnormalen und Normalmesseinrichtungen und der gegebenenfalls für die Weitergabe der Einheiten benötigten Sekundär- und Transfernormale. Mission ist "die Schaffung des Fundaments für das nationale Messwesen, das den heutigen und für die Zukunft absehbaren Anforderungen genügt".
Eine besondere Herausforderung stellen die Arbeiten zur Rückführung von SI-Einheiten auf Fundamentalkonstanten dar, wie dies für Sekunde, Meter, Volt und Ohm bereits gelungen ist, da man – zumindest nach unserem heutigen Verständnis der Physik – dann von einer von Ort und Zeit unabhängigen Realisierung der jeweiligen Einheit ausgehen kann. Durch den Beschluss des Comité International des Poids et Mesures (CIPM), vorbereitende Maßnahmen zur Neudefinition der Einheiten Ampere, Kelvin, Kilogramm und Mol auf der Basis von Fundamentalkonstanten einzuleiten, haben diese Arbeiten zusätzlich an Aktualität und Bedeutung gewonnen. Aber auch bei der Darstellung von Einheiten auf der Basis klassischer Prinzipien, z. B. für die dimensionelle Messtechnik, steigen die Anforderungen an die tolerierbaren Unsicherheiten stetig, so dass Technologien verbessert bzw. neu entwickelt und genutzt werden müssen. Zunehmende Bedeutung gewinnt die Rückführung von Messungen in der analytischen und speziell klinischen Chemie auf international anerkannte Normale oder Normalmesseinrichtungen, die für ausgewählte organische und anorganische Analyte in der PTB und ihren Kooperationspartnern (BAM, UBA, DGKL) entwickelt bzw. betrieben werden. Von besonderer gesellschaftlicher Bedeutung ist die Entwicklung von Normalen und Normalmesseinrichtungen für die medizinische Diagnostik und Therapiekontrolle, beispielsweise für die Dosimetrie ionisierender Strahlung, die Ultraschall-Diagnostik oder optische, bioelektrische, biomagnetische und NMR-Diagnoseverfahren.
Insbesondere aus Sicht moderner Fertigungstechnik gewinnt das Gebiet der Nanometrologie zunehmend an Bedeutung, wobei dies nicht nur die quantitative dimensionelle Vermessung von Mikro- oder Nanostrukturen mit Auflösung im Bereich einiger Atomdurchmesser beinhaltet, sondern auch von makroskopischen Objekten, z. B. Linsen- oder Spiegelsystemen für die Lithografie mit atomarer Auflösung. Hierzu werden in der PTB verschiedene, sich teilweise ergänzende Messverfahren entwickelt bzw. weiter entwickelt, wie z. B. Rastersondenmikroskopie, optische Mikroskopie einschließlich der optischen Nahfeldmikroskopie, Elektronenmikroskopie und Interferometrie.
Die Entwicklung und Herstellung von Normalen für die elektrische Spannung auf der Basis von Supraleitern (Josephson-Effekt) wurde ganz wesentlich durch Arbeiten in der PTB voran gebracht. Durch erfolgreichen Technologietransfer wurde Freiraum für neue Herausforderungen geschaffen, wie z. B. die Entwicklung programmierbarer Spannungsnormale oder die Entwicklung von Elementen und Schaltungen für die Quanten-Informationstechnologie. Die Liste von zukunftsweisenden Themen aus dem Bereich der Grundlagen der Metrologie ließe sich fast unbegrenzt fortsetzen, von der Darstellung der Kraftskala im Bereich kleinster und extrem großer Kräfte, Frequenzstandards für künftige optische Atomuhren, verbesserter Normale für die Photometrie, der Dosimetrie ionisierender Strahlung bis zu der Realisierung der Temperaturskala bei sehr tiefen und sehr hohen Temperaturen.
Ganz offensichtlich ist der Anteil an Forschung und Entwicklung in dem Bereich "Grundlagen der Metrologie" besonders hoch, weit gespannt und deckt wesentliche Bereiche der modernen Natur- und Ingenieurwissenschaften ab. Die Ergebnisse bilden nicht nur die Voraussetzung für die Entwicklung und Realisierung genauer Normale, sondern liefern auch – oft in Kooperation mit universitären und außeruniversitären Partnern – wesentliche Erkenntnisse für die Natur- und Ingenieurwissenschaften im Allgemeinen.