Elektronen zählen für das neue Ampere

Dass Braunschweig die Zeit macht, ist allseits bekannt. Und wie die Leser dieses Blogs wissen, sagen hiesige Physiker bald auch den Waagen in aller Welt, was genau ein Kilogramm ist. Doch damit ist noch nicht Schluss: Kürzlich hat die PTB gezeigt, dass sie auch das Ampere am genauesten bestimmen kann.

Die Welt der Physik ist im Umbruch: Bis 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Einheiten auf ein solides, unveränderliches Fundament stellen – die Naturkonstanten. Die Einheiten Meter (Lichtgeschwindigkeit) und Sekunde (Energiestruktur eines Cäsiumatoms) sind diesbezüglich schon vor Jahren vorangeprescht, nun sollen Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere folgen. In ausgefallenen Experimenten mischen Braunschweiger Physiker von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) dabei kräftig mit. Bei der Neudefinition des Kilogramms spielen sie bereits in der Champions League mit. Und als wäre das noch nicht genug, steht jetzt auch bei den Elektronen der Aufstieg an: Kürzlich konnten sie beweisen, dass sie besonders kleine Stromstärken in weltweit unerreichter Genauigkeit messen können – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Revision des Internationalen Einheitensystems (SI).

Die heutige Definition des Ampere, der Einheit der Stromstärke, ist alles andere als günstig: Sie basiert auf einem hypothetischen Versuchsaufbau, der unter anderem zwei unendlich lange Leiter beinhaltet. In diesem Aufbau würde ein Ampere eine genau festgelegte Kraft erzeugen. Die Definition ist folglich eng mit der Masse verknüpft, was den Physikern aufgrund der Instabilität des internationalen Urkilogramms seit langem ein Dorn im Auge ist. Denn die derzeitige Kilogramm-Definition setzt der Genauigkeit, mit der sich das Ampere bestimmen lässt, enge Grenzen. Daher wollen die Physiker das Urkilogramm im Jahr 2018 in den Ruhestand schicken und zeitgleich das Fundament des SI grundlegend sanieren.

Um dem Ampere den Sprung auf die Ebene der Naturkonstanten zu ermöglichen, zählen Physiker die Elektronen, die in einer bestimmten Zeiteinheit durch eine nur wenige Nanometer breite Leiterbahn fließen. Das setzt voraus, dass sie den Elektronenfluss manipulieren können, was ihnen mittels einer „Pumpe“ gelingt, die ein Elektron nach dem anderen quasi durch eine Bergkette hindurch, von einem Tal zum nächsten pumpt. So ist es möglich, die Elektronen, die im Tal ankommen, zu zählen – und damit die Elementarladung zu bestimmen. Das ist die kleinstmögliche elektrische Ladungsmenge, die im ganzen Universum gleich ist.

Beim Einsatz der Pumpen mussten sich Physiker aus aller Welt in den vergangenen Jahren zwei wesentlichen Herausforderungen stellen: Zum einen liefern sie nur sehr kleine Stromstärken, die sich nur schwer messen lassen. Zum anderen kommt es beim Transport der Elektronen zu statistischen Fehlern, beispielsweise wenn ein Elektron wieder zurück in sein Ausgangstal fällt oder zwei Elektronen in dasselbe Tal gepumpt werden. Darunter leidet die Genauigkeit. Doch zum Glück konnten die Physiker der PTB jetzt beide Herausforderungen meistern – und einen Weltrekord aufstellen. Niemand auf der Welt kann extrem kleine Stromstärken so genau messen, wie die Braunschweiger.

Mit ihrer Arbeit haben die Physiker der PTB gezeigt, dass sie auch bei der für 2018 geplanten Neudefinition des Ampere die Nase vorne haben. Dieser steht jetzt aus „elektrischer Sicht“ kaum noch etwas im Wege. Wenn es endlich soweit ist, dürfte sich die Hightech-Industrie freuen: Denn im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik oder der Medizin- und Umweltmesstechnik ermöglicht das neue Ampere eine deutlich genauere Kalibrierung von Messinstrumenten. Die meisten von Ihnen werden von der Revision des SI nichts mitbekommen, denn durch die Neudefinition kommt es nur zu sehr kleinen Änderungen bei den elektrischen Einheiten. Bei der Stromrechnung bleibt also alles beim Alten – Pardon, beim Stromverbrauch! Auf die Rechnung hat die PTB leider keinen Einfluss.

Titelbild: Im Reinraumzentrum der PTB wird die „Einzelelektronen-Pumpe“ hergestellt. Foto: PTB

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