Neuer Quantenstandard für den elektrischen Widerstand

In der industriellen Produktion oder in der Elektronik ist die präzise Messung des elektrischen Widerstands unerlässlich – zum Beispiel bei der Herstellung von Hightech-Sensoren, Mikrochips und Flugsteuerungen. „Hier kommt es auf exakte Daten an, denn schon kleinste Abweichungen können diese komplexen Systeme erheblich beeinträchtigen“, sagt Charles Gould von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Gemeinsam mit seinem Team hat er nun erstmals eine Quanten-Widerstandsnormale experimentell umgesetzt, die ohne ein äußeres Magnetfeld bestimmt werden kann. 

„Normalen dienen uns in der Physik als feste Referenzpunkte, um physikalische Größen genau zu messen und Messgeräte zu kali­brieren“, so Gould. „Eine Quantenwider­standsnormale funktioniert auf der Grundlage invarianter Prinzipien der Quantenmechanik, was ihn außerordentlich stabil macht.“ Der klassische Hall-Effekt: Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt und dieser einem Magnetfeld ausgesetzt ist, entsteht eine Hall-Spannung, aus dem sich der Hall-Widerstand bestimmen lässt. Er steigt mit zunehmender Magnet­feldstärke. In nur ein paar Nanometer dicken Leitern und bei sehr starken Magnetfeldern, steigt der Widerstand nicht mehr kontinuierlich, sondern nimmt immer die gleichen festen Werte an: der Quanten-Hall-Effekt (QHE). Dass der Widerstand beim QHE universelle Werte annimmt, macht ihn zur idealen Grundlage für die Bestimmung der Widerstands­normale.

Die Besonderheit des anomalen Quanten-Hall-Effekts (QAHE) besteht nun darin, dass er den Quanten-Hall-Effekt ohne äußeres Magnetfeld ermöglicht. „Der Betrieb bei einem Magnetfeld von Null vereinfacht nicht nur das Experiment, sondern bietet auch einen Vorteil bei der Bestimmung einer anderen physikalischen Größe: des Kilogramms. Um das zu bestimmen, muss man gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die Spannung messen“, sagt Gould, „aber die Messung des Spannung funktioniert nur ohne Magnetfeld. Deshalb eignet er sich besonders zu diesem Zweck.“ Bisher fehlte den Messungen des QAHE bei keinem äußerem Magnetfeld die für moderne Anwendungen in der Quanten­metrologie erforderliche Präzision. Mit den neuen Messungen ist die magnetfeldfreie QAHE-Normale erstmals auf Augenhöhe mit den frühen konventionellen QHE-Widerstands­normalen und erreicht die erforderliche Präzision.

Bislang ist der Betrieb der Quantenwider­standsnormale ohne externes Magnetfeld auf extrem niedrige Temperaturen und geringe Ströme beschränkt – es handelt sich hauptsächlich um eine Demonstration. Um den Standard künftig auch kommerziell nutzbar zu machen, etwa für die Industrie, muss das Experiment weiter verbessert werden. Zu diesem Zweck arbeitet das Würzburger Team rund um Gould zusammen mit der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt (PTB) in Braunschweig sowie mit internationalen Forschenden im Rahmen des europäischen Metrologie­konsortiums QuAHMET.

U. Würzburg / JOL