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10 Millionen Elektronen als Kapazitätsnormal

Für die Einheit der elektrischen Ladung wird ein hochpräzises Quantennormal auf Basis der Fundamentalkonstante e (Ladung des Elektrons) entwickelt. In der praktischen Anwendung wird man es als Quanten-Kapazitätsnormal nutzen, jedoch kommt ihm auch eine wichtige Rolle bei einer zukünftigen Neudefinition der Einheiten zu. Das Herzstück des Normals ist eine Abzählschaltung für einzelne Elektronen. Es arbeitet mit einem in der PTB entwickelten neuen Verfahren zur Minimierung von Zählfehlern und wurde erstmals erfolgreich getestet.

Messkopf für den Quanten-Kapazitätsstandard mit Einzelelektronen-Schaltung und Tieftemperatur-Kondensator für den Einsatz im Mischungskryostaten

Die elektrische Abstoßung einzelner Elektronen in Schaltkreisen mit Tunnelkontakten im Nanometerbereich kann bei tiefen Temperaturen zum Abzählen und zum Nachweis einzelner Elektronen genutzt werden. Beim kontrollierten quantenmechanischen Durchtunneln einer Kette kleiner Metallinseln treten aber Fehler auf, da beispielsweise einige Elektronen die ganze Kette, selbst bei einer Temperatur von nur 50 mK, quasi „in einem Rutsch“ passieren.

Der neuartige Elektronenzähler der PTB nutzt keine längere Kette, wie es das amerikanische NIST bei einem Ladungsnormal versucht, sondern eigens entwickelte mikroskopische Metallfilm-Widerstände an den Kettenenden zur Minimierung der Zählfehler. Er arbeitet bei einer Taktfrequenz von 2 MHz und liefert damit eine mittlere Stromstärke von 0,32 pA.

Wegen der geringen Stromstärke ist die kontrollierte Steuerung einzelner Elektronen in der Praxis für ein Stromstärkenormal nicht zu nutzen, wohl aber für ein Kapazitätsnormal. Dazu staut man die Elektronen gewissermaßen auf, d. h. man sammelt sie in einem Kondensator. Dieser bereits zuvor aufwendig neu entwickelte Tieftemperatur-Kondensator mit einer Kapazität von 1 pF ist die zweite wichtige Komponente des neuen Normals. Belädt man ihn mit exakt 10 Millionen Elektronen, baut sich eine Spannung von über 1 Volt auf, die sich problemlos und extrem genau mit einem Quantennormal für die Spannung vergleichen lässt.

Mit der Zahl der Elektronen und der entsprechenden Ladung Q = n · e ist somit auch C sehr genau bestimmt und man hat ein in der Praxis einsetzbares Quanten-Normal für die elektrische Kapazität, das auf der fundamentalen Definition C = Q/U beruht. Die Relevanz des Normals für eine zukünftige Neudefinition der Einheiten auf Basis von Fundamentalkonstanten beruht auf der Tatsache, dass sich die Kapazität C bei Wechselstrom der Frequenz w als Widerstand 1/w · C mit einem ebenfalls auf einem Quantennormal beruhenden Widerstand R vergleichen lässt. Somit kann eine mögliche Neudefinition durch eine interne Konsistenzprüfung mit drei verschiedenen Quanteneffekten abgesichert werden.

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