Profil
Die Einheit „Ampere“ für die elektrische Stromstärke ist die elektrische Basiseinheit im Internationalen Einheitensystem SI. Die Arbeitsgruppe verfolgt die Erforschung, Entwicklung und Optimierung von neuen Methoden und Instrumenten für die rückgeführte und höchstgenaue Messung und Erzeugung kleiner elektrischer Gleichströme in einem Stromstärkebereich von etwa 1 fA (10-15 A) bis etwa 1 µA (10-6 A). Eine besondere Rolle spielen Methoden, die mit unvergleichlich hoher Präzision und Genauigkeit auf die elektrischen Quanteneffekte für den Widerstand - den Quanten-Hall-Effekt - und die Spannung - den Josephson-Effekt - zurückgeführt werden können.
Dabei wird ausgenutzt, dass die Stromstärke mit den Größen Widerstand und Spannung über das Ohm’sche Gesetz verknüpft ist.
Zudem erfolgt durch die Arbeitsgruppe die Bewahrung und Weitergabe der Widerstandseinheit „Ohm“ bei Gleichstrom mit dem Quanten-Hall-Effekt.
Viele der Aktivitäten der Arbeitsgruppe sind in Forschungsvorhaben mit internationaler Kooperation eingebunden, zum Beispiel im Rahmen der Europäischen Metrologie-Forschungsprogramme EMRP (Joint Research Project "Qu-Ampere") und EMPIR (Joint Research Project "e-SI-Amp").
Forschung/Entwicklung
Die F&E-Tätigkeiten der Arbeitsgruppe umfassen im Wesentlichen
die Entwicklung und Optimierung von neuen Methoden und Instrumenten für die rückgeführte Messung und Erzeugung kleiner elektrischer Stromstärken mit höchster Genauigkeit, sowie
die Entwicklung und Optimierung von Kryo-Stromkomparatoren (engl. Cryogenic Current Comparator, CCC) für Messungen elektrischer Stromstärken und Widerstände (zurückgeführt auf den Quanten-Hall-Effekt) mit höchster Genauigkeit.
Diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit dem Fachbereich 7.2 der Abteilung "Temperatur und Synchrotronstrahlung" (PTB Berlin) durchgeführt.
Für die Entwicklung neuartige Methoden und Instrumente, welche die Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken mit einer Genauigkeit ermöglichen, die die Genauigkeit zuvor verfügbarer Methoden um bis zu einem Faktor 100 übertrifft, wurde die Forschergruppe mit dem Helmholtz-Preis 2018 in der Kategorie "Anwendung" ausgezeichnet.
Weiterhin betreibt die Arbeitsgruppe
Grundlegende Untersuchungen zum Quanten-Hall-Effekt bei Gleichstrom, auch in neuartigen Materialien, für die Bewahrung und Weitergabe der Widerstandseinheit "Ohm" und für die Entwicklung neuartiger, anwenderfreundliche Widerstandsnormale, sowie
Aufbau und Optimierung von Messplätzen für den Einsatz von Einzelelektronen-Schaltungen (engl. Single-Electron Transport, SET) zum Zwecke grundlegender Untersuchungen in der elektrischen Quantenmetrologie, insbesondere im Hinblick auf eine zukünftige quantenbasierte Darstellung der Stromstärkeeinheit (Ampere) sowie Realisierungen des "Quantenmetrologischen Dreiecks".
Diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit benachbarten Fachbereichen der Abteilung 2 "Elektrizität" (PTB Braunschweig) durchgeführt.
Viele der Aktivitäten sind in Forschungsvorhaben mit internationaler Kooperation eingebunden, zum Beispiel im Rahmen der Europäischen Metrologie-Forschungsprogramme EMRP (Joint Research Project "Qu-Ampere") und EMPIR (Joint Research Project "e-SI-Amp").
Dienstleistungen
Die Arbeitsgruppe bietet als Dienstleistungen die Kalibrierung eines "Ultrastabilen Rauscharmen Stromverstärkers" (Ultrastable Low-noise Current Amplifier, ULCA) mit Hilfe eines Kryostromkomparators an.
Für nähere Auskünfte wenden Sie sich bitte an den Arbeitsgruppenleiter.
Kalibrierungen von Messeinrichtungen und –instrumenten für Gleichstromstärken im Bereich von 10 fA bis 100 A werden durch die PTB als Dienstleistung angeboten von der Arbeitsgruppe 2.11 „Gleichstrommesstechnik“ im Fachbereich 2.1 „Gleichstrom und Niederfrequenz“.
Weitere Kalibrierungen spezieller Messeinrichtungen für höhere Stromstärken werden als Dienstleistung angeboten im Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“.
Informationen
Einführende Lektüre zu den Themen "SI-Basiseinheit Ampere", "Einzelelektronen-Pumpen" sowie "Kleine elektrische Stromstärken" bieten die folgenden Übersichtsartikel:
- Hansjörg Scherer, Uwe Siegner: "Elektronen zählen, um Strom zu messen"
PTB-Mitteilungen 126, Heft 2 "Experimente für das neue Internationale Einheitensystem (SI)", Seiten 53 - 61 (2016)
- Hansjörg Scherer, Dietmar Drung: "Quantenbasierte Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken"
PTB Mitteilungen 126, Heft 3 "Elektrische Quantennormale für die Praxis", Seiten 59 - 69 (2016)
Weiterführende Informationen bieten die Publikationen der Arbeitsgruppe.