Verbesserte Messungen des Kilogramms

Bis 2018 war die SI-Masseneinheit Kilogramm als die Masse eines realen Objekts definiert: das internationale Prototyp-Kilogramm, das in einer sicheren Einrichtung am Stadtrand von Paris aufbewahrt wird. Am 16. November 2018 erhielt das Kilogramm eine neue, international akzeptierte Definition, basierend auf drei definierenden Konstanten: der Lichtgeschwindigkeit, der Planck-Konstante und der Hyperfein-Übergangsfrequenz von Cäsium. Eine der Methoden zur Messung einer Masse basierend auf der neuen Definition ist ein Gerät namens Kibble Balance.

Trotz der aktuellen Genauigkeit der Messungen dieses Geräts können seine Komponenten verbessert werden, um Unsicherheitsquellen zu reduzieren. Durch neue Forschungsergebnisse, die in veröffentlicht wurden EPJ-Techniken und InstrumentierungDarine Haddad und Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) zeigen, wie ein neuer, optimierter Ansatz für das Design der Kibble-Waage ihre Genauigkeit weiter verbessern könnte.

Heute ermöglicht die Kibble-Waage Forschern, Massen im Makromaßstab zu messen, die direkt auf grundlegenden Quantenprinzipien basieren. Dazu werden zwei Quanteneffekte gemessen: der so genannte Josephson-Effekt und der Quanten-Hall-Widerstand (QHR) – eine quantisierte Form des elektrischen Widerstands, der in 2D-Materialien bei niedrigen Temperaturen gemessen werden kann, wenn sie starken Magnetfeldern ausgesetzt sind. Derzeit wird QHR in einem separaten Experiment außerhalb des Messsystems realisiert, wodurch Unsicherheiten in die Gesamtmessung der Kibble-Waage eingeführt werden.

Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Forscher am NIST die Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite (QEMMS). Dieses Gerät implementiert QHR direkt in den elektrischen Schaltkreis für die Kibble-Waage und das System zur Messung der Josephson-Spannung – wodurch jegliche Kalibrierungsunsicherheit eliminiert wird.

In ihrer Studie stellt Haddads Team ein optimiertes Design für QEMMS vor, das auf Massen von 10 bis 200 g abzielt. Für Massen von 100 g zeigten sie, dass Messungen mit einer relativen Unsicherheit von nur 2 x 10-8 durchgeführt werden konnten – was erhebliche Verbesserungen gegenüber früheren Kibble-Waagenkonstruktionen bietet. Infolgedessen könnte QEMMS Forschern bald ermöglichen, unabhängige, ultrapräzise Messungen makroskopischer Massen durchzuführen, was ihre experimentellen Daten erheblich verbessern würde.