Physikalisch-Technische Bundesanstalt Weg frei für die Neudefinition des Ampere

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).

Forschern der PTB ist es gelungen, das Ampere weitaus genauer darzustellen als in der klassischen Definition. Von Vorteil wäre das z.B. in der Mikro- und Nanoelektronik oder der Medizin- und Umweltmesstechnik, wo das neue Ampere die deutlich genauere Kalibrierung von Messgeräten ermöglichen könnte.

Bis 2018 sollen alle physikalischen Basiseinheiten auf dem unveränderlichen Fundament der Naturkonstanten stehen. Die Einheiten Meter und Sekunde sind diesbezüglich schon vor Jahren vorangeprescht, nun sollen Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere folgen.

Auch die Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) arbeiten an diesem Projekt mit. Diesen Forschern ist es nun auch gelungen, die besonders kleinen Stromstärken einer Einzelelektronen-Pumpe in bisher unerreichter Genauigkeit zu messen – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Revision des Internationalen Einheitensystems (SI).

Die heutige Definition des Ampere...

...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 Ur-Kilogramms seit langem ein Dorn im Auge ist. Denn die derzeitige Kilogramm-Definition setzt der Genauigkeit, mit der sich das Ampere 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 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 Einzelelektronen-Pumpe gelingt. Sie pumpt ein Elektron nach dem anderen quasi 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.

Beim Einsatz der Einzelelektronen-Pumpen…

...mussten sich Physiker aus aller Welt in den vergangenen Jahren zwei wesentlichen Herausforderungen 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.