Quantum Physics and Fundamental Constants Klaus v. Klitzing

Quantum Physics and Fundamental Constants
Klaus v. Klitzing
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Heisenbergstr.1,
D-70569 Stuttgart, Germany
The quantum Hall effect plays a very important role in metrology since all calibrations of
electrical resistors are based on this effect. Different two-dimensional electron systems
were used to demonstrate that the quantized Hall resistance RK is independent of the
material (silicon, carbon, gallium arsenide) within the experimental uncertainty of about 1
part in 1010 and identical with the fundamental constant h/e2 (h = Planck constant, e =
elementary charge). Since 1990 all calibrations of electrical resistors are based on an
internationally agreed best value for the quantized Hall resistance with the value
25812,807 Ohm (conventional von Klitzing constant RK-90). However such a definition is
not compatible with the official international system of units (SI system). The same
problem is present with the Josephson effect which allows the realization of electrical
voltages based on an internationally agreed value for the conventional Josephson
constant KJ-90 (which is connected to the fundamental constant KJ = 2e/h) but such a
voltage is not compatible with our SI system.
This conflict between SI units and practical units for electrical quantities can be resolved if
one accepts new definitions for the SI base units as recommended by the General
Conference on Weights and Measures (CGPM 24) in October 2011. The basic idea for this
new SI system is the direct link between fixed values of fundamental constants and SI
base units as realized already for the unit of length (fixed value for the velocity of light). If
one accepts fixed values for h and e within a new SI system, all calibrations of electrical
units (based on Josephson and quantum Hall effect) are automatically in agreement with
the SI system. However the present definitions for the base units “kilogram” and “ampere”
has to be given up.
The talk presents an overview about the QHE and his applications in metrology and
summarizes the experimental situation for a new definition of the base unit “kilogram”.
L'effetto Hall quantistico svolge un ruolo molto importante nella metrologia, in quanto tutte
le tarature di campioni di resistenza elettrica sono basate su questo effetto. Differenti
sistemi bidimensionali di elettroni sono stati impiegati per dimostrare che la resistenza
quantizzata di Hall RK è indipendente dal materiale (silicio, carbonio, arseniuro di gallio),
entro l'incertezza sperimentale di circa 1 parte in 1010, ed è identica alla costante
fondamentale h/e2 ( ove h è la costante di Planck ed e la carica elementare). Dal 1990
tutte le tarature di campioni di resistenza elettrica si basano su un valore concordato a
livello internazionale per la resistenza di Hall quantistico pari al valore di 25812,807 Ω
(costante di von Klitzing convenzionale RK-90). Tuttavia tale definizione non è compatibile
con il sistema internazionale ufficiale delle unità di misura (sistema SI). Lo stesso
problema è presente con l'effetto Josephson che consente la taratura di campioni di
tensione elettrica sulla base di un valore convenzionale, concordato sempre a livello
internazionale, per la costante di Josephson KJ-90 (che è collegato alla costante
fondamentale KJ = 2e/h), ma tale valore di tensione non è compatibile con il nostro
sistema SI.
Questo conflitto tra le unità SI e le unità pratiche per le grandezze elettriche può essere
risolto se si accettano nuove definizioni per le unità SI di base come raccomandato dalla
Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM 24) nel mese di ottobre del 2011.
L'idea di principio di questo nuovo sistema SI è costituita dal collegamento diretto tra i
valori fissi di costanti fisiche fondamentali e le unità SI di base, come già realizzato per
l'unità di lunghezza (valore fisso per la velocità della luce). Se si accettano valori fissi per
la costante di Planck h e per la carica elementare e entro un nuovo sistema SI, tutte le
tarature di grandezza elettriche (basate sugli effetti Josephson e Hall quantistico) sono
automaticamente in accordo con il sistema SI. Però le attuali definizioni delle unità di base
"chilogrammo" e "ampere" devono essere abbandonate.
Il seminario presenta una panoramica sull’effetto Hall quantistico e le sue applicazioni nel
campo della metrologia e riassume la situazione sperimentale per una nuova definizione
dell'unità di base "chilogrammo".