Ziemlich unbeholfen wirkt die Definition des Ampere, der Maßeinheit der Stromstärke, wie sie im Internationalen Einheitensystem festgelegt ist. Sie ergibt sich nämlich aus der Anzahl der Ladungen, die pro Sekunde durch zwei unendlich lange Leiter fließen, die im Abstand von einem Meter angeordnet sind und sich gegenseitig mit einer Kraft von 2 x 10-7 Newton pro Meter Leitungslänge anziehen.

Diese seit 1948 gültige Definition lässt sich zwar recht schön aus einem Gedankenexperiment ableiten. Im Labor kann sie allerdings nur näherungsweise nachvollzogen werden – ein peinlicher Umstand, den sie mit der Definition des Kilogramms gemein hat. Dieses ist auf Grundlage eines inzwischen 125 Jahre alten Zylinders aus Platin und Iridium definiert, der am internationalen Maß- und Gewichtsbüro (BIPM) in Paris aufbewahrt wird und dessen Masse unglücklicherweise einer Dauerschwankung unterliegt.

Nun jedoch haben Forscher auf dem Preprint-Server arXiv einen Aufsatz veröffentlicht [1], in dem sie eine Neudefinition des Ampere vorschlagen, die auf der elektrischen Ladung e basiert. Nach einer solchen, aus Naturkonstanten abgeleiteten Definition suchen Metrologen schon lange. "Das anzugehen und umzusetzen ist eine enorme Herausforderung. Ein sehr wichtiges Paper!", sagt Stephen Giblin, Physiker am National Physical Laboratory im englischen Teddington.

Es ist daher anzunehmen, dass die Ergebnisse auf dem im November stattfindenden Treffen der Generalkonferenz für Maß und Gewicht sehr wohlwollend aufgenommen werden. Bei der Versammlung werden die Teilnehmer noch über weitere Neudefinitionen von Standardeinheiten (SI-Einheiten) beraten: Neben dem Ampere werden auch das Kilogramm sowie die Einheiten Mol und Kelvin im Mittelpunkt stehen, deren Definitionen ebenfalls auf die Elementarladung e sowie die Planck-, Avogadro- und Boltzmann-Konstante zurückgeführt werden sollen. Bei zwei anderen SI-Einheiten, dem Meter und der Sekunde, ist das bereits gelungen; sie ergeben sich nun aus der Lichtgeschwindigkeit beziehungsweise der Frequenz, mit der Elektronen in Zäsiumatomen zwischen Energieniveaus wechseln.

Elektronen pumpen und zählen

Bei ihrer jüngst veröffentlichten Amperestudie verwendeten die Physiker um Hans Werner Schumacher von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig eine Einzelelektronenpumpe, die Elektronen mit Hilfe von Spannungspulsen dazu anregt, Barrieren quantenmechanisch zu durchtunneln. Welchen Weg sie dabei nahmen, erfassten die Forscher, indem sie an bestimmten Stellen zwischen den Barrieren Veränderungen in der elektrischen Ladung maßen. Zwar existieren solche Elektronenpumpen in einfacher Form schon seit 1990, doch nie zuvor war es Experimentatoren gelungen, Ladungsveränderungen zu erfassen, die mit den Sprüngen einzelner Elektronen einhergehen.

Lediglich ein paar Dutzend Elektronen rutschen pro Sekunde durch die Pumpe. Das war langsam genug, um den Braunschweigern ihre Präzisionsmessungen zu ermöglichen – und so die prinzipielle Machbarkeit einer Neudefinition unter Beweis zu stellen. Doch das ist nur der erste Schritt. Denn der Versuchsaufbau eignet sich noch nicht dazu, Stromstärkemessgeräte zu kalibrieren, die derzeit allesamt höhere Stromstärken für ihren Betrieb benötigen.

Genau darum geht es aber: Ziel der Forscher ist es, eine "mise en pratique" zu entwerfen – die Vorschrift für ein Experiment, das jedes Labor der Welt durchführen kann, das seine Messinstrumente kalibrieren möchte. Es ist bereits jetzt absehbar, dass ein Wettlauf darum entbrennt, wer als Erster die Idee des Schumacher-Teams mit Pumpen höherer Stromstärke realisiert.

Ansätze dafür existieren bereits. Im Jahr 2012 entwickelte Giblin eine halbleiterbasierte Einzelelektronenpumpe, die annähernd eine Milliarde Elektronen pro Sekunde produzierte [2]. Allerdings gelang es ihm damals nicht, die Teilchen einzeln nachzuverfolgen. Und auch konkurrierende Verfahren sind nicht ausgereift – etwa die so genannten Turnstiles ("Drehkreuze"), die Elektronen zwischen supraleitenden Drähten tunneln lassen, oder Tunnelkontakte, bei denen eine Barriere aus einem nichtleitenden Oxid zwei Aluminiumschichten trennt. Beide Techniken funktionieren nur bei geringen Stromstärken, sofern man mit ihnen Einzelelektronen verfolgen will.

Welches Definition bekommt die Oberhand?

"Es ist unmöglich vorherzusagen, welches Konzept am Ende gewinnen wird", meint der Physiker Jukka Pekola von der Aalto-Universität im finnischen Espoo, der kürzlich die verschiedenen Ansätze zur Ampereneudefinition in einem Übersichtssartikel zusammenfasste [3].

Trotzdem befindet sich das Ampere – und ebenso die Einheit Kelvin – in einer günstigen Ausgangslage für das kommende Treffen der Generalkonferenz. Die Elektronenladung und die Boltzmann-Konstante seien inzwischen sogar schon so genau bestimmbar, dass beide Einheiten theoretisch schon heute neu definiert werden könnten, sagt François Piquemal vom Laboratoire National de Métrologie et d'Essais in Paris.

Vermutlich dürfte sich der Prozess jedoch bis zur Versammlung im Jahr 2018 hinziehen. Alle vier Einheiten sind untereinander verknüpft, der Plan ist daher, alle auf einmal neu zu definieren, nur macht das Kilogramm nach wie vor Probleme. Vertreter zweier Methoden wetteifern darum, dessen Neudefinition zu leisten: zum einen die Befürworter der Wattwaage, bei der die Masse einer Probe durch Rückgriff auf eine Messung elektrischen Stroms ermittelt wird, und zum anderen jene Forscher, die die Atome in einer gegebenen Siliziumkugel exakt auszählen wollen. Beide Ansätze geben leicht unterschiedliche Antworten – ein Umstand, sagt Piquemal, der sich dringend ändern müsse, bevor die Einheiten neu definiert werden könnten.

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "Ampere to get rational redefinition" in Nature 505, S. 273, 2013