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Jul 28, 2023

NIST verbessert sein Flaggschiffgerät zur Massenmessung

In einem hell erleuchteten unterirdischen Labor des National Institute of Standards and Technology (NIST) steht eine raumgroße elektromechanische Maschine namens NIST-4 Kibble Balance. Das Instrument kann bereits

In einem hell erleuchteten unterirdischen Labor des National Institute of Standards and Technology (NIST) steht eine raumgroße elektromechanische Maschine namens NIST-4 Kibble Balance.

Das Instrument kann bereits jetzt die Masse von Objekten von etwa einem Kilogramm so genau messen wie jedes andere Gerät auf der Welt. Doch jetzt haben NIST-Forscher die Leistung ihrer Kibble-Waage weiter verbessert, indem sie ihr ein speziell angefertigtes Gerät hinzugefügt haben, das eine genaue Definition des elektrischen Widerstands liefert. Das Gerät heißt Quanten-Hall-Array-Widerstandsstandard (QHARS) und besteht aus einer Reihe mehrerer kleinerer Geräte, die eine Eigenart der Quantenphysik nutzen, um äußerst präzise elektrische Widerstandswerte zu erzeugen. Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in einem Artikel von Nature Communications.

Die Verbesserung soll Wissenschaftlern helfen, mit ihren Waagen Massen von weniger als 1 Kilogramm mit hoher Genauigkeit zu messen, was noch keine andere Kibble-Waage zuvor geschafft hat.

Mithilfe von NIST-4-Messungen konnten Wissenschaftler 2019 das Kilogramm, die Grundeinheit der Masse im Internationalen Einheitensystem (SI), neu definieren. Alles, was gewogen werden muss, basiert auf dieser neuen Definition der Masse.

Das neue speziell angefertigte QHARS-Gerät ist ein Beispiel für einen Messstandard – ein Objekt oder Instrument, das eine vordefinierte Beziehung zu einer physikalischen Größe wie Länge, Zeit oder Helligkeit hat. Der Standard ist in diesem Fall ein elektrisches Gerät, das Quantenprinzipien nutzt, um einen präzisen elektrischen Widerstand zu erzeugen. Dieser erzeugte Widerstand dient dann als Referenz während des Betriebs der Kibble-Waage.

Vor dieser Arbeit basierte die NIST-4-Kibble-Waage auf einem anderen Standardinstrument, das ebenfalls eine genaue Definition des elektrischen Widerstands lieferte. Aus technischen Gründen konnte dieses Gerät jedoch nicht direkt in die Waage integriert werden.

Um dieses Problem zu umgehen, mussten Forscher ein anderes Objekt, ein sogenanntes Artefakt, nehmen und den Standard verwenden, um dieses Artefakt zu kalibrieren oder zu bewerten. Anschließend verwendeten sie das Artefakt direkt mit der NIST-4-Kibble-Waage. Der neue Aufbau macht ein Widerstandsartefakt überflüssig und verbessert die Genauigkeit der Waage.

„Der zusätzliche Schritt der Kalibrierung eines Widerstands verringerte die Genauigkeit der Massenmessungen“, sagte Darine Haddad vom NIST. „Da wir jetzt direkt einen Quantenstandard anstelle eines Artefakts verwenden, entfällt der Kalibrierungsschritt vollständig. Dadurch wird die Widerstandsunsicherheit verringert“, was bedeutet, dass die Widerstandsgenauigkeit erheblich verbessert wird.

„Aktuelles“ Dilemma

Die NIST-4-Kibble-Balance-Maschine funktioniert durch den Vergleich mechanischer Kraft mit elektromagnetischer Kraft. Kurz gesagt: Eine Masse sitzt auf der Waage und wird durch die Schwerkraft nach unten gezogen. Die Forscher pumpen dann Strom durch eine Drahtspule, die in einem Magnetfeld sitzt, und dieser elektrische Strom drückt die Masse nach oben, wodurch sie effektiv in der Luft schwebt. Wissenschaftler messen die Strommenge, die erforderlich ist, um das Objekt schweben zu lassen, und balancieren es genau aus. Wenn Sie den Strom messen können, können Sie die Masse des Objekts ermitteln.

Damit dies funktioniert, müssen Messwissenschaftler jedoch mit hoher Genauigkeit genau wissen, wie viel Strom durch die Spule fließt. Dazu messen sie zwei weitere, einfacher zu messende Werte: die Spannung und den Widerstand.

Ein Quantenspannungsstandard ist bereits im Gerät integriert. Der Quantenwiderstandsstandard konnte jedoch nicht direkt verwendet werden, da das herkömmliche Gerät aus Galliumarsenid (GaAs) mit den relativ großen Strommengen, die erforderlich sind, um ein Objekt im Makromaßstab wie 50 oder 100 oder sogar schweben zu lassen, nicht richtig funktionieren kann 1.000-Gramm-Masse. Stattdessen wurde das GaAs-Gerät separat verwendet, um den Widerstand eines frisch kalibrierten Objekts zu messen, das dann in NIST-4 eingefügt und für die eigentliche Messung verwendet wurde.

Neue QHARS zur Rettung

Um dieses Problem anzugehen, hat NIST einen neuen Typ eines Quantenwiderstandsgeräts entwickelt und getestet: das QHARS. Anstelle von GaAs besteht dieses Instrument aus Graphen – der Schicht aus Kohlenstoffatomen mit einer einzigen Atomschichtdicke, die seit vielen Jahren ein heißes Thema ist, da sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten verspricht, darunter schnellere und flexiblere Elektronik.

Das am NIST entwickelte neue Graphen-QHARS leitet Strom parallel durch eine Anordnung von 13 kleineren Elementen. Diese Elemente basieren auf dem sogenannten Quanten-Hall-Effekt, bei dem der elektrische Widerstand „quantisiert“ wird – das heißt, er kann nur wenige mögliche, sehr spezifische und vorhersehbare Werte annehmen. Das macht das Gerät zu einem Widerstandsnormal, das auf Quantenebene genau ist. (Siehe Animation.)

Durch die gemeinsame Verwendung von 13 Quanten-Hall-Widerstandseinheiten erhöht sich die Strommenge, die das neue QHARS verarbeiten kann, weiter.

„Wir brauchen etwa 700 Mikroampere [Millionstel Ampere], die in der Spule fließen, um eine 100-Gramm-Masse schweben zu lassen“, sagte Haddad. „Bei der Galliumarsenid-Beständigkeitsnorm ist das nicht möglich.“

Um zu beweisen, dass dieser neue Quantenwiderstandsstandard in NIST-4 funktionieren könnte, verwendeten Haddad und ihr Team mehrere QHARS-Geräte nacheinander und verglichen ihre Ergebnisse indirekt mit dem GaAs-Quantenwiderstandsstandard. Die Ergebnisse für die 50-Gramm-Massenmessungen stimmten alle weitgehend überein – „es ist so gut wie es nur geht“, sagte Haddad.

Zukünftige Modelle des neuen Widerstandsstandards könnten weitere Verbesserungen erfahren. Um zu funktionieren, müssen sowohl das herkömmliche GaAs-Gerät als auch das Graphen-QHARS auf nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und ihren eigenen hohen Magnetfeldern ausgesetzt werden. Eines Tages könnte ein Gerät im QHARS-Stil entwickelt werden, das bei Raumtemperatur und ohne Magnetfeld arbeitet, was das gesamte System viel kompakter machen würde.

Außerdem könnte ein QHARS der nächsten Generation im Gegensatz zum alten Widerstandsstandard programmierbar sein, was bedeutet, dass das Instrument vielseitiger wäre: Wissenschaftler könnten ein Gerät verwenden, um unterschiedliche Widerstandsmengen zu erzeugen, je nachdem, was sie für ein bestimmtes Experiment benötigen.

„Ein Quantenwiderstandsstandard, der programmierbar ist und bei Raumtemperatur und einem niedrigen Magnetfeld funktioniert: Das ist es, was die Physiker vorantreiben wollen“, sagte Haddad.

Weitere Informationen: www.nist.gov

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