Einzelelektronen-Pumpe hilft beim Zählen

Der Neudefinition des Ampère steht nichts mehr im Weg

| Autor / Redakteur: Hendrik Härter / Rainer Graefen

Halbleiter-Einzelelektronen-Stromquelle („Einzelelektronen-Pumpe“, links), angeschlossen an den hochgenauen Strom-Spannungswandler („Ultrastable Low-noise Current Amplifier“, rechts).
Halbleiter-Einzelelektronen-Stromquelle („Einzelelektronen-Pumpe“, links), angeschlossen an den hochgenauen Strom-Spannungswandler („Ultrastable Low-noise Current Amplifier“, rechts). (Bild: PTB)

Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, das Ampère weitaus genauer darzustellen als in der klassischen Definition. Maßgeblich dazu beigetragen haben Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Bis zum Jahr 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Basiseinheiten auf ein solides, dauerhaftes Fundament stellen. Die Rede ist von den Naturkonstanten. Die heutige Definition des Ampère ist alles andere als günstig: Sie basiert auf einem hypothetischen Versuchsaufbau, der unter anderem aus zwei unendlich langen Leitern besteht.

In diesem Aufbau würde ein Ampère eine genau festgelegte Kraft erzeugen. Die Definition ist folglich eng mit der Masse verknüpft, was den Physikern aufgrund der Instabilität des internationalen Ur-Kilogramms seit langem ein Ärgernis ist. Denn die derzeitige Kilogramm-Definition setzt der Genauigkeit, mit der sich das Ampère realisieren 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 Ampère 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 mit Hilfe einer Einzelelektronen-Pumpe gelingt. Sie pumpt ein Elektron nach dem anderen durch eine Bergkette hindurch, von einem Tal zum nächsten. So ist es möglich, die Elektronen, die im Tal ankommen, zu zählen – und damit die Elementarladung zu bestimmen.

Strom etwa tausendfach verstärken

Beim Einsatz der Einzelelektronen-Pumpen mussten sich Physiker aus aller Welt in den vergangenen Jahren zwei wesentlichen Aufgaben stellen: Zum einen liefern die Pumpen 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.

Für die Pumpfehler wurde bereits eine Lösung entwickelt und mit sehr langsamen Pumpen demonstriert: Die Physiker schalten mehrere Pumpen hintereinander – und zwischen den Pumpen erkennen spezielle Detektoren, ob zu viele oder zu wenige Elektronen das Tal verlassen. Auf diese Weise lassen sich Fehler noch im Pump-Betrieb korrigieren.

Wissenschaftlern der PTB ist es mit einem neuartigen Verstärker gelungen, den kleinen Strom etwa tausendfach zu verstärken. Kombiniert mit zwei anderen quantenmetrologischen Verfahren ist es dann möglich, kleine Stromstärken mit weltweit unübertroffener Genauigkeit zu messen.

Mit ihrer Arbeit haben die Physiker der PTB gezeigt, dass sich das Ampère mittels kontrolliertem Einzel-Elektronen-Transports deutlich genauer realisieren lässt als es die klassische Ampère-Definition ermöglicht.

Weitere Informationen

H. Scherer, U. Siegner. Elektronen zählen, um Strom zu messen. PTB-Mitteilungen 126, 2 (2016), S. 53-61.http://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/publikationen/ptb_mitteilungen/mitt2016/Heft2/PTB-Mitteilungen_2016_Heft_2.pdf, abgerufen am 28.11.2016

* Dieser Beitrag wurde von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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