02.12.2019
Die Definition des Ampere, Einheit der elektrischen Stromstärke, basiert im jüngst revidierten Internationalen Einheitensystem (SI) auf einem festgelegten Wert für die Elementarladung e. Das Joint Research Project (JRP) „e-SI-Amp: quantum realisation of the SI ampere“ wurde im Rahmen des europäischen Metrologieforschungsprogramms EMPIR ins Leben gerufen, um entsprechende Methoden zur Erzeugung und Weitergabe elektrischer Stromstärkenormale zu entwickeln. Ende April 2019 wurde das vom National Physical Laboratory (UK) koordinierte Dreijahresprojekt, an dem zehn Partner aus Europa und Asien teilnahmen, abgeschlossen. Die PTB konnte wesentlich zum Erfolg des JRP in den Gebieten Einzelelektronen-Stromquellen und Kleinstrommessung beitragen.
Einzelelektronen-Stromquellen erzeugen elektrische Ströme durch Transport einer genau bekannten Anzahl von Elektronen pro Transferzyklus und repräsentieren damit die direkteste Methode zur Realisierung des revidierten Ampere. Da diese nanostrukturierten Schaltungen besonders zur Erzeugung kleiner Ströme unter 1 nA geeignet sind, können sie die elektrische Metrologie im Bereich kleiner Stromstärken verbessern. Im Rahmen des Projekts wurden Einzelelektronen-Stromquellen auf der Basis von Halbleiterschaltungen sowie neuartige Instrumente und Methoden entwickelt, die zur Realisierung des neuen Ampere erforderlich sind. Die Ergebnisse umfassen zahlreiche Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Konferenzpräsentationen sowie Schulungsaktivitäten, die erhebliche Verbesserungen in Anwendungsbereichen der Metrologie, der Wissenschaft und der Industrie ermöglichen.
An der PTB gelang es, die Quantisierung des von einer Einzelelektronen-Stromquelle erzeugten Stroms I gemäß I = e.f (mit f = 600 MHz als Treiberfrequenz) mit einer relativen Messunsicherheit von nur 1,6 Teilen in 107 zu verifizieren, d.h. mit der bislang höchsten Genauigkeit bei einer Stromstärke von 100 pA.
Auf dem Gebiet hochpräziser Messmethoden für kleinste Ströme bis hinab zu 1 fA hat die PTB zwei spezielle Versionen des Ultrastable Low-Noise Current Amplifier (ULCA) entwickelt. Die Instrumente wurden innerhalb des Konsortiums für Vergleichs- und Kalibrierexperimente zur Verfügung gestellt und schließlich über einen Instrumentenhersteller vermarktet. Diese Aktivität hat dazu beigetragen, die Messfähigkeiten der Partner im Bereich kleiner Stromstärken und hoher Widerstände zu verbessern und dem Konsortium die Möglichkeit gegeben, mit Interessengruppen zu interagieren. Die neuartigen Messmöglichkeiten wurden bereits in verschiedenen Bereichen der Metrologie und in industriellen Anwendungsfeldern der Radionuklid-, Aerosol- und Partikelmesstechnik, der Halbleitertechnologie sowie der Beleuchtungsindustrie eingesetzt.
Weitere detaillierte Informationen zu Inhalten, Ergebnissen und Erfolgsgeschichten des Projekts sind auf der Website unter http://www.e-si-amp.eu/ dargestellt.
