Quanteneffekte

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Ein elektrischer Strom bemisst sich aus dem Quotienten der anliegenden Spannung und des elektrischen Widerstands, über den diese abfällt. Beide Größen können nun unter Ausnutzung bestimmter Quanteneffekte dargestellt werden:

Zur Darstellung einer hochpräzisen Spannung werden so genannte Josephson-Kontakte verwendet. Dabei handelt es sich um Bauelemente aus zwei Supraleitern, die durch eine dünne normalleitende Schicht voneinander getrennt (miteinander „schwach gekoppelt“) sind. Wird Licht der Frequenz νJ eingestrahlt, so fließt ein Gleichstrom, der mit einer Spannung UJ von

0901

9.1

zwischen den Enden des Josephson-Kontakts verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich mit Kaskaden von Joseph-Elementen Referenzspannungen darstellen, deren relative Genauigkeit dank der Möglichkeiten zur präzisen Frequenzbestimmung unter 10-10 liegen kann.

Der elektrische Widerstand kann mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts ähnlich präzise gemessen werden. Dieser Effekt tritt ein, wenn ein elektrischer Strom bei tiefen Temperaturen und senkrecht zu einem starkes Magnetfeld durch eine dünne Halbleiterschicht geschickt wird. Die senkrecht zu diesem Strom auftretende Hall-Spannung wächst nicht klassisch mit dem Magnetfeld, sondern in Stufen. Dabei hängen die Plateauwerte weder von den Materialeigenschaften wie der Ladungsträgerdichte, noch von der Probengröße, noch von der Magnetfeldstärke selbst ab. Der entsprechende Hall-Widerstand RH ist deshalb auf folgende Weise quantisiert:

0902

9.2

Der Wert von Referenzwiderständen, die sich mit einer relativen Unsicherheit von 10-9 reproduzieren lassen, liegt also bei natürlichen Teilern der Klitzing-Konstanten h/e².

Die präzise Bestimmung von Spannungen sowie die Bereitstellung präziser Widerstände findet insbesondere Eingang in die Messung der Masse mit Hilfe der Watt-Waage.