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Ampere auf dem Weg zur Neudefinition

Besonders interessant für:
  • Grundlagen der Metrologie

Das Internationale Einheitensystem (SI) soll ein neues Fundament aus Naturkonstanten bekommen. Die elektrischen Einheiten werden darin durch die Basiseinheit Ampere vertreten. Im Gegensatz zum Ohm und Volt, die bereits auf Naturkonstanten rückgeführt werden können, wurde eine entsprechende Realisierung für die Einheit der Stromstärke bisher nicht erreicht. Jetzt gelang es in der PTB, ein Stromstärkenormal zu entwickeln, das einen Strom erzeugt, der auf dem getakteten Transfer einzelner Elektronen beruht und gleichzeitig die Präzision des erzeugten Stromes unabhängig misst.

Das Ampere ist Basiseinheit im Internationalen Einheitensystem SI – und dennoch braucht seine metrologisch genaue Realisierung in der Praxis immer einen Umweg über das Ohm‘sche Gesetz, also über die elektrischen Einheiten Volt und Ohm. Diese beiden Einheiten lassen sich bereits seit Längerem auf der Grundlage von Naturkonstanten realisieren, der Josephson-Konstante (Volt) und der von- Klitzing-Konstante (Ohm). Die entsprechende Naturkonstante für das Ampere ist die Ladung eines einzelnen Elektrons.

Eine neue Realisierung des Amperes ist im Prinzip möglich, indem man den Fluss einzelner Elektronen mithilfe sogenannter Einzelelektronenpumpen zeitlich taktet. Im Pumpbetrieb werden Elektronen einzeln von der einen Zuleitung eingefangen und anschließend auf die andere Zuleitung ausgeworfen. Wird dieser Vorgang periodisch wiederholt, entsteht ein Strom, der allein durch die Taktfrequenz, die Anzahl pro Takt transferierter Elektronen sowie die elektrische Ladung des Elektrons bestimmt ist.

Die in der PTB entwickelte selbstreferenzierte Quantenstromquelle basiert auf solchen Einzelelektronenpumpen: In einer Halbleiter-Schaltung werden mehrere Pumpen hintereinander gereiht und durch Inseln verbunden. An diese werden hochempfindliche Detektoren gekoppelt, um die Anzahl der sich auf den Inseln befindenden Elektronen zu zählen. Damit ist es gelungen, einen getakteten Strom zu erzeugen und diesen in situ zu überprüfen. Weil die neue Pumpe pro Sekunde nur ein paar Dutzend Elektronen transportiert, ist sie langsam genug, um die entsprechenden Präzisionsmessungen zu ermöglichen. Außerdem erlaubt sie die Erzeugung validierter kleiner Ströme bis hinunter in den Attoampere-Bereich (10–18 Ampere) mit deutlich geringerer Messunsicherheit, als es durch eine klassische Strommessung erreichbar wäre. So ermöglicht sie die Kalibrierung von Messgeräten für kleine Ströme, wie sie beispielsweise im Strahlenschutz eingesetzt werden. Für ihre Entwicklung erhielten die beteiligen Wissenschaftler den Hermann-von-Helmholtz-Preis 2014.

Ansprechpartner

Lukas Fricke
Fachbereich 2.5 Halbleiterphysik und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2422
Opens window for sending emaillukas.fricke(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

L. Fricke, M.Wulf, B. Kästner, F. Hohls, P. Mirovsky, B. Mackrodt, R. Dolata, Th. Weimann, K. Pierz, U. Siegner, H. W. Schumacher: A self-referenced single-electron quantized-current source. Phys. Rev. Lett. 112, 226803 (2014)