PTB-Experimente

Optische Atomuhren sind die nächste Generation von Atomuhren. Sie befinden sich momentan noch im Entwicklungsstadium. Bei heutigen Atomuhren liegt die Taktfrequenz im Mikrowellenbereich, und üblicherweise werden Cäsium-Atome als Referenz verwendet. Bei optischen Atomuhren ist die Taktfrequenz mehr als 10 000-fach höher (100 THz - 1000 THz) und liegt damit im optischen Spektralbereich. Dadurch ermöglichen sie eine etwa 100-fach höhere Genauigkeit, die nach deutlich kürzeren Mittelungszeiten erreicht werden kann. Es gibt unterschiedliche Varianten, mit unterschiedlichen Referenzatomen bzw. Referenzionen, die sich jeweils in der eingesetzten Technik unterscheiden und damit auch unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Bisher hat sich hier noch kein spezieller Typ durchgesetzt. Doch der Wettlauf um die beste Uhr der Zukunft hat längst begonnen. In der PTB werden gleich mehrere mögliche Varianten in unterschiedlichen Arbeitsgruppen untersucht.

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Das Avogadro-Experiment und die Watt-Waage sind die Eckpfeiler der Neudefinition des Kilogramms. Sie stellen zwei unabhängige Möglichkeiten zu Realisierung der Neudefinition dar. Die Einheit Kilogramm ist heute definiert als die Masse des Urkilogramms, das in einem Safe in Paris aufbewahrt wird. Internationale Bemühungen streben an, alle Basiseinheiten wie Sekunde, Meter, Kilogramm und Ampere in Zukunft nur auf Naturkonstanten zu beziehen, um so ein System von Einheiten zu schaffen, das unabhängig von Artefakten ist. Dazu wird im Avogadro-Experiment bestimmt, wie viele Atome in nahezu perfekten Silizium-Kugeln enthalten sind. Die nächste Möglichkeit für eine Neudefinition des Kilogramms besteht auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (General Conference on Weights and Measures, Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) im Jahr 2018. Bis dahin soll die Genauigkeit der Messungen weiter verbessert werden. Außerdem sollen einige Messgrößen durch unabhängige Messungen bestätigt werden. Schließlich soll – in Zusammenarbeit mit den Wattwaagen-Projekten weltweit – versucht werden, die Gründe für abweichende Ergebnisse zur Avogadro-Konstante zu finden, damit eine sichere und genaue Neudefinition der Masseneinheit gewährleistet werden kann. Die Realisierung des Avogadro-Experiments basiert auf den Beiträgen unterschiedlicher Arbeitsgruppen der PTB sowie nationaler und internationaler Partner.

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Die Boltzmann-Konstante ist der Schlüsselfaktor, wenn es darum geht, die Basiseinheit Kelvin neu zu definieren, indem sie auf eine Naturkonstante bezogen wird. Deshalb wird international angestrebt, den Zahlenwert der Boltzmann-Konstante festzulegen und so die bisherige Definition über den Wassertripelpunkt zu ersetzen. Damit wäre dann auch die Basiseinheit Kelvin nicht mehr von einer speziellen Materialeigenschaft abhängig. Allerdings ist dazu erforderlich, dass die Boltzmann-Konstante mit sehr geringer Unsicherheit bekannt ist - so gering, dass sie der Unsicherheit der Darstellung des Wassertripelpunktes gleichkommt. Um dies zu erreichen, arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, die Boltzmann-Konstante auf unterschiedlichen Wegen zu bestimmen. In der PTB wird dazu im Fachbereich 7.4 (am Standort Berlin) ein Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometer eingesetzt.

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Ein Ampere entspricht dem Fluss von etwa 6 × 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde. Durch Zählen der Elektronen kann das Ampere auf die Sekunde zurückgeführt werden. Voraussetzung dafür: die Ladung eines Elektrons ist genau bekannt bzw. festgelegt, wie im neuen SI geplant. Hierzu werden Einzelelektronenpumpen in Halbleiterstrukturen entwickelt, um eine Strommessung durch Elektronenzählen zu realisieren.

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