Klaus von Klitzing (2015) - A New Kilogram in 2018: The Biggest Revolution in Metrology Since the French Revolution

Metrology - the science of measurements - is responsible for the international uniformity and precision in standards. Today, the seven units for meter, kilogram, second, ampere, kelvin, mole, and candela of our international system of units (SI units) are used as a basis to express everything in nature by numbers and units

The old kilogram. The kilogram is a unit of mass. It is equal to the mass of the international prototype of the kilogram. So I have a copy of this, and just touching it, perhaps it changed the mass. Therefore, there was some addition after cleaning, using the BIPM - Bureau International des Poids et Mesures method, because they have to have always the same kilogram, and by dirt, it may change with time. Now if you want to see, really, the kilogram, you have to go to Paris, to Sèvres, in this nice building. That's the Bureau International des Poids et Mesures. And, very nice environment, and there you'll find the kilogram, really the prototype kilogram. And I have video, sometimes this video works, but this time, it doesn't work. I tested it...okay. Once a year, ah, as you see, there walking down, there's a conference looking at the kilogram. The kilogram is still in Paris. Because if this prototype disappears, nobody knows what a kilogram is. So I have a copy, but normally you don't know what a kilogram is. And therefore, there are three different groups. They have the key, and the Director of the Bureau International des Poids He knows the code, and then... we have to find out whether the kilogram is still there. And they are lucky. So, this is the prototype of the kilogram. There are some copies around, but there are problems with the kilogram. There are many copies in the different countries, and from time to time, they come to Paris and find out whether the kilogram is still the kilogram, and then the mass of the prototype changes with time, at least relative to the mean value of the national prototypes. You don't know exactly which one is the correct one, but today, the opinion is that the prototype becomes lighter with time. Because some gas is diffusing out, the mass was different from the original prototype and the copies. So our kilogram is not stable. So we have a unit of measurement that is not stable. It's terrible, for a physicist, at least. And there was another problem, a new problem, discovered last year. One of the reference kilogram at the Bureau used for the dissemination of the unit of mass has been damaged, because if you have a balance, you have to put the kilogram on the balance, and if you move a little bit, then you might scratch the kilogram. And there was a jump in the mass by 37 microgram. So the kilogram, if you damage it, then we have, suddenly, other mass, in other words. So we have to find out some new kilogram. And you find these headlines: Or, "Dump the Lump" And for this, I use then, this type of my talk with the subtitle, there's an idea about, overall, or in metrology, since the French Revolution. Because at the French Revolution, they introduced the metric system we are using today. Last year there was an international conference. The 25th meeting of the General Conference in Weights and Measure. This is a very, very famous conference series. Even if it's just 25 of these conferences, it started, already, in 1889. So every four to six years, they have a meeting in Paris, and they are responsible that everywhere in the world, we have the same units of measurements. And on the agenda last year, so in November last year, they had a meeting, and there was a very important decision. The resolution on the future revision of the International System of Units. The International System, SI Units. This is really a big change, and if you speak about the International System, I would start with our old system. At present, we have these base units: the second, metre, kilogram, and so on. And everything, everything we can measure in biology and chemistry and physics, everywhere, can come back to the seven base units. All other units are a combination of these seven base units. So everything that we can measure can be expressed by these base units. And that's why we have to find out good values for these base units. The kilogram, I mentioned, is a prototype. The ampere, at present, is the force between two wires. The temperature scale depends on the triple-point of water. So these are the definitions for our units. And now the big change, which is expected in 2018, we will use reference constants of units. And this idea: to replace the prototype of the kilogram with the Planck constant. The ampere, something with the elementary charge. The Boltzmann constant will be responsible for the temperature scale. And next month, there will be a new book, Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements, and there you can see the relation kilogram against Planck constant, current against elementary charge, and so on. So this will be the big change, which is expected in 2018. But up to this time, we have to be sure that we can relate fundamental constants to units. And therefore, for example, for the mass, it's necessary that three independent experiments, three different groups, have to do an experiment with an uncertainty smaller than five parts in 10^8. And one of the results should have a higher accuracy, and different types of experiments should be done. And there is a road map, already, for the next years until 2018, for the redefinition. So this was the decision last year, and in 2018, you see, we hope that we'll have the new definition. So I've got already, invitation for plenary talk in September 2018, in Belfast, hopefully to introduce this new system of units, which will be introduced hopefully, in 2018. A very important deadline is the first of July, because at the first of July, all the experimentalists, which are doing experiments and high precision measurements, have to deliver the numbers of these fundamental constants in the present system of units. And then when we change the direction - so when we give up our present system of units - fix the best numbers, and then everyone in the world has to rely on these fixed numbers of fundamental constants. So this is the basic idea for this new system. So everyone becomes active when I was, last year, at NIST in United States. So they're building up new equipment to measure with very high precision, some fundamental constants. And this for example, will be a new kilogram. Looks complicated, and if you read Physics Today, last year, as the cover sheet, you could see an instrument which will replace the kilogram. And this publication called it a more fundamental international system of units. A makeover of our International System of Units. So the idea is to have a new definition for the kilogram which will never change. And in this publication, you see a timeline, and 2018 will be really, perhaps, the end of the evolution of our international system, because the idea is to have a new SI, which will specify the exact values of seven fundamental constants. And then, we hopefully have something which is very stable with time and positions. And this is called the biggest revolution since the French Revolution, because during the French Revolution, our present system of units and metric system was born, you see, in 1799. The artefact standards for presenting the metre and the kilogram, they're introduced. And before this time, we had so many different units: a cubic foot, lines for length, grain, troy, karat, pound for the mass, and at this time, 1799, the French Academy of Science recommended a system which is better than the old system. And at this time, the metre, the kilogram, was introduced, and you know the metre was related to the ten millionth part of the quarter of the terrestrial meridian. The kilogram is equal to the mass of a decimetre cube of water at the temperature of the melting ice. This was a basic idea, but then these prototypes were produced, and everyone should use these prototypes for length and mass. And this is the demonstration of this, with the metre and the kilogram. And this was internationally accepted by so-called Meter Convention, 1875, but already at this time, there were very critical remarks, for example by Maxwell. He already gave at a talk, this statement: The wavelength, frequency, and mass of atoms are much more suitable for time independent and stable basic units." This was 1870, by Maxwell. And exactly today, we are going in this direction. You know, for the atomic clock, frequency of atoms. Originally the first atomic clock, the caesium clock from 1955, as shown here, but we heard, at this conference, several times, that today we have, by these atomic clocks, the accuracy of one second in 15 billion years. The strontium lattice clock, which means one second within the whole age of the universe. So this is already established, and Maxwell also recommended the use of wavelengths. Wavelengths of some spectral line as a standard for the length unit. And this was established already. Between 1960 and 1983, the official definition of the metre was this number of wavelengths of a special spectral line of Krypton. So this was already established that atomic units for the length and time. And if you have length and time, you can also measure velocities and this a development that, coming from the prototype of the metre to the atomic wavelength, today we have fixed value for the fundamental constants of light, the velocity of light, which is the official definition for the length of a metre. So if you look at the literature, a metre is defined as the length of the path travelled by light in a vacuum in certain time. So this definition is the definition of the velocity or speed of light. This idea, to have fixed values of fundamental constants as basis for an international unit was the idea of Max Planck. Max Planck is famous for the quantum mechanics. And in 1900, he published a very important equation, so all physicists, at least, should know this, the blackbody radiation. And in this publication, in 1900, Max Planck discussed this equation, and he had introduced two constants, today known as the Planck constant and the Boltzmann constant. And Max Planck was more fascinated by these constants than by quantum mechanics. You know that this equation is called the start of quantum mechanics, that photons, h*nu, have a certain energy - quantized energy. But in this publication, in 1900, Max Planck already had a long chapter about fundamental constants. And he pointed out, with the help of fundamental constants, we have the possibility of establishing units of length, time, mass, and temperature which necessarily retains a significance for all cultures, even unearthly and nonhuman ones. So we have something, these fundamental constants, in the whole universe, so if there's some livings on exoplanets, then they should find, also, these fundamental constants. So this is something very general. So I tried to educate aliens. So this is our lecture hall at the Institute, and I tried to educate them about fundamental constants, and about the importance of the Quantum Hall effect, my discovery. And the result was not very interesting, but they were kind enough to clap their hands. And these fundamental constants, I think, they are the most stable quantities, and the best basis for universal units. The problem is: Do we have high precision measurements of fundamental constants? And the Planck units, which were introduced by Max Planck, are useless. He introduced Planck lengths, Planck mass, Planck time, but 10^-35 metres, or 10^-44 seconds, these are not practical units. So in metrology, in the science of measurements, we have, always, to apply these units. And therefore, it's much better, as we have already today, the velocity of light can be measured very accurately. And I think the breakthrough was the Josephson effect. The high precision measurements of the use of Josephson constant, 2e/h. e is elementary charge, h is the Planck constant. And Brian Josephson, unfortunately, became ill at the beginning of this week, so originally he wanted to come here. He made, already, his most important discovery at the age of 23. I hope you are not too old, already, for this. But this was a famous paper about some effect, which led finally to the Nobel Prize. And the important result was that we have a one to one relation between a voltage and the fundamental constant h/2e. n is an integer, and the frequency is very, very known from atomic clocks. So there is a one to one relation between voltage and fundamental constants and the National Bureau of Standards today NIST, in the United States, were the first one who said, "Okay, we will us this as our official voltage standard." And they use the special value. So this is a published value, the United States used for have a new voltage, because up to this time, electrochemical cell was used with this definition that this cell had the voltage of 1.018 volts. But unfortunately, these measurements were done also, in France, and in France, they used different values. You see here, 2e/h, this was the best value to have this chemical cell represented. Russia, another one. And fortunately, there was some agreement that all the other countries, they accepted another value, this value. So at this time, we had in the world, four different volts. A volt metre in the United States, and volt metre in France was different. But in principle, you could know the difference, because you know the different values of this value of 2e/h. Now, in 1990 there was worldwide agreement that everyone should use a very special value, the voltage standard based on a natural constant. And there was this agreement to use this number, this number everywhere in the world, so that we have everywhere in the world, the same volt. Now, my discovery comes in. My discovery, I will not speak in detail about the Quantum Hall effect. The final result, and this is very important, we have an electrical resistance, with very high accuracy, which is just the value: h/e^2. So this an experimental factor, at the end I will show you something, and you can find in the list of fundamental constants now, this conventional value. So this value for the Josephson constant, and this value for the von Klitzing constant that everyone in the world is using for voltage, and for resistances. These values for these phenomena in solid state physics. So for practical application, voltage, resistance, are related to these constants. So if we have quantum units with the index 90, because 1990, the Quantized Hall Resistance was internationally established as a resistance standard. The voltage, with its fixed value for 2e/h, and if you combine this, you have also an ampere, or capacitance, or inductance, or a watt in units of these Quantum Units. But on the other side, we have our official International System, the SI Units. This is base units. And they were were adjusted in 1990 so there was an agreement between these two worlds, and now the idea of the new system will be, the new SI will unify these two worlds. The Quantum Units with our International System of Units. So these quantum phenomena, Quantum Hall effect, Josephson effect, together with the frequency atomic clock, they can have, really, the electrical resistance expressed in h/e^2, also the capacitance, the inductance, voltage and current. And at the end, you see that even the mass, the kilogram, can be related to these fundamental constants, and there's a one to one connection to the Planck constants. And if you look in the archives, you can find a publication, "A LEGO Watt Balance." An equipment demonstrates definition of mass based on the new SI. For about $1,000 you can buy all the details, and you can build up your own watt balance. Not with very high accuracy, but good enough to do the fundamental physics. And the mass m is used to determine the Planck constant or you can do this in another direction in the future, a fixed value for the Planck constant will be the definition of the mass. And this is a picture of this LEGO watt balance, where we have compensation of mechanical force against electrical force. And these watt balances are built up in many, many countries, and I have here a summary of the different equipments to realize the kilogram in relation to the Planck constant. And I will just show you the basic idea. Balance is one side, a force, and the other side, another force. So the mass on this side, and on this side, electrical force. A coil in a magnetic field, with a certain current flowing through this coil. So this is the first step, but normally it's very complicated to have exact information about the area of this coil, the magnetic field. And therefore, one has a second experiment. One is moving the same coil in a magnetic field, and you induce a voltage. So the first experiment is an electrical motor, and the second, other experiment is just the generation of some voltage. And if you combine these two experiments, then you have these two experiments, you can remove the complicated function, which is the change of the flux with the position, then you come up with an equation where the induced voltage from the second experiment times the current in the first experiment, is the force by the mass. And if you combine everything, then you find this one to one relation between the Planck constant and the mass. And in this way, one has measured these constants with the Planck constant, by different watt balances, and you see now, these results. And if there is some agreement with this uncertainty, these five parts in 10^8, then we will change the direction, we will fix the value somewhere here, and then everyone can realize the unit of mass based on the fixed value of the Planck constant. Now, perhaps you have heard that not only the watt balance gives you some connection to a new kilogram. There's also the so-called Avogadro project. And the Avogadro project also contributes to a value of the Planck constant. Many scientists have the feeling Avogadro project is just a number of atoms, and then you can make a definition that a certain number of atoms is a kilogram. But this is not the case. The Avogadro project is used to have another access to the Planck constant. Because you want to have the Planck constant so that the electrical units, the Josephson effect, Quantum Hall effect, can be used as the base units for our SI system. And the basic idea for the Avogadro project is: We can measure the Rydberg constant in spectroscopy with very high accuracy. And the fine structure constant, alpha, is also very, very known. The velocity of light is the next value. And only the mass, the mass of an electron in the Rydberg constant, is a problem, because you have to connect atomic masses against macroscopic masses. And therefore the Avogadro project is important to have this connection between atomic units and macroscopic units. So main problem, definition of atomic masses in kilograms, and therefore the Avogadro project gives you this link that you can give a number to this value. And for this Avogadro project, you measure the volume, mass, and the number of atoms of a silicon single crystal, and this, mainly in Germany, they are concentrating on this direction, whereas most other countries, they are using the watt balance. But both of them give, finally, the value of the Planck constant. And the official definition, new definition of the kilogram will be related to the Planck constant, and not how you measure this in which type of experiments. So this is a picture where we have the prototype, the kilogram. Then here, a picture of the Avogadro project, with the silicon sphere, and this is one of the watt balances. But, as mentioned, the Planck constant will be, then, the final result. So the Avogadro project and watt balance allow high precision measurements of the Planck constant. The Watt balance has been built up in many countries, and seems to be the best way to realize the unit of mass on the basis of a fixed value for the Planck constant. And the Quantum Hall effect will play an important role in our new International System of Units. And the former Director of the Bureau International des Poids et Mesures, he makes the statement: And at the end, I will just tell the students. I never told his: how to discover a new effect. So, I will start, not with the Quantum Hall effect, with the classical Hall effect. This was already discovered, 1879, by Edwin Hall, and he measured the voltage, which appears perpendicular to the current, with the current flowing through a material, and you apply a magnetic field perpendicular. This is the classical Hall effect, and these are the original publication. The final result is, you have a Hall voltage, this blue voltage, which is proportional to the strength of the magnetic field and the current. And this is used in many, many experiments, because from the proportional constant, normally, you get information about the concentration of charged particles. This is a standard method. So if you measure such a Hall voltage, and if you increase the magnetic field, the linear behaviour, this is a classical Hall effect. So I have done a lot of experiments, and I use just such an X-Y recorder. Today, perhaps you don't know what the X-Y recorder is. But it's very important that the height was 25 centimetres. for example, then 25 millivolts is 25 kiloohms, and if you do an experimental curve, normally you see some deviations. All kinds of noise. Vibrations, electrical noise, all kinds of dirt. But I saw always, at the end of the X-Y recorder, something which looks reproducable for different samples. And this was really an unexpected observation. And then I followed this, and I identified that this resistance value is the Quantized Hall resistance. Today, we can do it much, much better. I have here, a classical Hall effect, this dotted line in this curve. And today we can generate all these nice plateaus. And these plateaus, independent of the material, we used already silicon, gallium arsenide, graphene today is used, you need only a so-called two dimensional system, and strong magnetic fields, then you observe plateaus, and these plateau values have at least ten digits. Everywhere, in all the materials, the same value, the same resistance value, which is related to h/e^2, and an integer, this nu, which is six here, seven here, eight here, and so on. Now in Science, two years ago, there was a publication, starting with the Hall effect from 1879, then the Quantum Hall effect, and then the generation of new Hall effects. Spin Hall effect, Quantum Spin Hall effect, Anomalous Hall effect, Quantum Anomalous Hall effect. And always, you see, at the boundary of the sample, something special. And very often you can find the statement that, and new kilogram, but the mother of topological phenomena." Because this has something to do with topology at a boundary of a device. And very often, you can find this statement, "The first topological insulator, which is a very, very new field." Now, I have no time to speak about physics, but if you do today, Quantum Hall physics, these are these nice plateaus, with these integers, four, or three, or two, then you see a lot of other structures. And I have indicated here some physical phenomena, which has something to do with correlated electron systems. Striped phases, paired composite fermions, and this is related to quantum computation, doing non-Abelian statistics, so it's a lot of physics behind this. So a topic for the afternoon session with the students, or the next Nobel Prize winner meeting next year, because this is concentrating on physics, and then I can speak more about details in physics. Now, if you come this afternoon, I have a gift for you, a gift which is given by Bill Phillips. Bill Phillips gave also a talk, and he spoke also a little bit about fundamental constants, and he promised that in his master class this afternoon at three o'clock, he will offer everyone who asks a question, a scientific question, some gift. And fortunately I got this gift, and these small cards with all these fundamental constants. And there you can find that the Josephson constant and the von Klitzing constant will be in the new International System of Units, will be fixed numbers, because the idea is to fix the value of e and h. Thank you for your attention.

Das alte Kilogramm. Das Kilogramm ist eine Masseneinheit. Es entspricht der Masse des internationalen Prototyps des Kilogramms. Ich habe davon eine Kopie, und wenn ich es nur berühre, ändert es vielleicht seine Masse. Daher gab es da nach dem Reinigen noch etwas zusätzliches Gewicht, nach der Methode des Bureau International des Poids et Mesures, denn die müssen immer das gleiche Kilogramm haben und wegen Schmutz, kann es sich im Lauf der Zeit ändern. Wenn Sie jetzt wirklich das Kilogramm sehen wollen, müssen Sie nach Paris, nach Sèvres, in dieses hübsche Gebäude gehen. Das ist das Bureau International des Poids et Mesures. Eine sehr schöne Umgebung, und dort finden Sie das Kilogramm, den wirklichen Prototyp des Kilogramms. Ich habe ein Video und manchmal funktioniert es, doch dieses Mal nicht. Ich habe es überprüft… gut. Einmal im Jahr, wie Sie sehen, gehen sie herunter, da gibt es eine Konferenz, man sieht sich das Kilogramm an. Das Kilogramm ist noch immer in Paris. Denn sollte dieser Prototyp verschwinden, weiß keiner, was ein Kilogramm ist. Ich habe hier eine Kopie, normalerweise weiß aber niemand, was ein Kilogramm ist. Daher gibt es drei verschiedene Gruppen. Sie haben den Schlüssel und der Direktor des Bureau International des Poids der kennt den Code, Und dann… müssen wir sehen, ob das Kilogramm noch immer da ist. Und sie haben Glück. Das also ist der Prototyp des Kilogramms. Es gibt ein paar Kopien davon, doch gibt es mit dem Kilogramm Probleme. Es gibt viele Kopien in den verschiedenen Ländern und hin und wieder kommen sie nach Paris, um herauszufinden, ob das Kilogramm noch ein Kilogramm ist, und dann ändert sich die Masse des Prototyps mit der Zeit, zumindest relativ zum Mittelwert der nationalen Prototypen. Man weiß nicht genau, welcher der richtige ist, heute glaubt man aber, dass der Prototyp mit der Zeit immer leichter wird. Es tritt nämlich etwas Gas aus, die Masse des originalen Prototyps und der Kopien war anders. Unser Kilogramm ist also nicht stabil. Wir haben also eine Maßeinheit, die nicht stabil ist. Das ist entsetzlich, zumindest für einen Physiker. Da gab es noch ein weiteres Problem, ein neues Problem, das letztes Jahr entdeckt wurde. Eines der Referenzkilogramme im Bureau, das zur Verbreitung der Masseneinheit genutzt wird, wurde beschädigt. Denn wenn man eine Waage hat, muss das Kilogramm auf die Waage gelegt werden und wenn man ein kleines bisschen schiebt, kann das Kilogramm zerkratzt werden. Und bei der Masse gab es einen Sprung von 37 Mikrogramm. Wenn also das Kilogramm beschädigt wird, haben wir plötzlich, in anderen Worten, eine andere Masse. Wir müssen also ein neues Kilogramm ausfindig machen. Da sehen Sie also diese Schlagzeilen: oder „Wirf den Klumpen weg“. Und für meine Rede habe ich also den Untertitel verwendet, zu der es seit der Französischen Revolution einen Gedanken gibt, übergreifend, oder in der Messkunde. Denn das heute verwendete metrische System wurde während der Französischen Revolution eingeführt. Im letzten Jahr tagte eine internationale Konferenz. Das 25te Treffen der Allgemeinen Konferenz über Maße und Gewichte. Das ist eine außerordentlich berühmte Tagungsreihe. Auch wenn es nur 25 solcher Konferenzen gab, die im Jahre 1889 ihren Anfang nahmen. Alle vier bis sechs Jahre trifft man sich in Paris, und die Konferenz ist dafür verantwortlich, dass überall auf der Welt die gleichen Maßeinheiten gelten. Auf der Tagesordnung im letzten Jahr, also November letzten Jahres, traf man sich und da wurde es eine sehr wichtige Entscheidung getroffen. Die Resolution über das Internationale Einheitensystem. Das Internationale System, SI-Einheiten. Dies ist wirklich eine große Änderung. Wenn man von dem Internationalen System redet, würde ich mit dem alten System beginnen. Derzeit haben wir diese Grundeinheiten: Sekunde, Meter, Kilogramm und so weiter. Und alles was wir in der Biologie, Chemie, Physik und sonst wo messen können, lässt sich auf die sieben Grundeinheiten zurückführen. Alle anderen Einheiten sind eine Kombination dieser sieben Grundeinheiten. Alles was wir messen können, lässt sich in diesen Grundeinheiten ausdrücken. Deshalb müssen für diese Grundeinheiten gute Werte gefunden werden. Wie ich erwähnt habe, ist das Kilogramm ein Prototyp. Das Ampere ist derzeit die Kraft zwischen zwei Drähten. Die Temperaturskala hängt von dem Tripelpunkt des Wassers ab. Dieses sind die Definitionen für unsere Einheiten. Jetzt die große Änderung, die für 2018 erwartet wird, wir werden Referenzkonstanten von Einheiten verwenden. Der Gedanke ist: Den Prototyp des Kilogramms durch das Planck‘sche Wirkungsquantum zu ersetzen. Das Ampere, etwas mit der Elementarladung. Die Boltzmann-Konstante wird für die Temperaturskala verantwortlich sein. Im nächsten Monat kommt ein neues Buch heraus, Quantenmetrologie: Grundlagen von Einheiten und Messungen, da können Sie den Zusammenhang zwischen Kilo und dem Planck‘schen Wirkungsquantum sehen, Strom und Elementarladung und so weiter. Das wird die große Änderung sein, die man für 2018 erwartet. Doch bis dahin müssen wir sicher sein, dass wir den Zusammenhang zwischen fundamentalen Konstanten mit Einheiten herstellen. Daher ist es beispielsweise für die Masse notwendig, dass drei unabhängige Experimente, drei verschiedene Gruppen ein Experiment mit einer Unsicherheit durchführen müssen, die kleiner als ein Fünftel von 10^8 ist. Und eines der Ergebnisse muss eine höhere Genauigkeit aufweisen und verschiedene Arten von Experimenten sind durchzuführen. Es gibt zur Neubestimmung bereits einen Plan für die nächsten Jahre bis 2018. Dies also war die Entscheidung vom letzten Jahr und 2018 hoffen wir über die neue Definition zu verfügen. Ich habe bereits eine Einladung zu einem Plenarvortrag in Belfast im September 2018, um, hoffentlich, dieses neue System von Einheiten vorzustellen, das, so hoffen wir, 2018 eingeführt wird. Eine sehr wichtige Frist ist der erste Juli, denn am ersten Juli werden alle Experimentatoren die Experimente und hochgenaue Messungen vornehmen um die Werte für die Fundamentalkonstanten des derzeitigen Einheitensystem vorzulegen. Wenn wir die Richtung ändern auf diese festgelegten Zahlen und Fundamentalkonstanten angewiesen. Das ist also die Grundidee für das neue System. Als ich letztes Jahr bei NIST in den Vereinigten Staaten war, wurden jedermann aktiv. Sie richteten neue Geräte ein, um mit hoher Präzision einige Fundamentalkonstanten zu messen. Dieses zum Beispiel wird ein neues Kilogramm. Sieht kompliziert aus und wenn man Physics Today liest, letztes Jahr, auf der Titelseite, konnte man ein Instrument sehen, welches das Kilogramm ersetzen wird. Diese Publikation nannte es ein fundamentaleres internationales Einheitensystem. Eine gründliche Veränderung unseres Internationalen Einheitensystems. Der Gedanke ist, eine neue Definition für das Kilogramm zu erhalten, welches sich nie verändert. In dieser Publikation sieht man eine Zeitlinie und 2018 wird vielleicht wirklich das Ende der Evolution unseres internationalen Systems sein. Die Idee ist, ein neues SI zu haben, welches die genauen Werte der sieben Fundamentalkonstanten bestimmt. Wir haben dann hoffentlich etwas, das in Hinblick auf Zeit und Standort sehr stabil ist. Dies wird die größte Revolution seit der Französischen Revolution genannt, denn während der Französischen Revolution wurde unser gegenwärtiges Einheitensystem und das metrische System im Jahre 1799 geboren. Die Artefakt-Standards zum Präsentieren des Meters und des Kilogramms wurden eingeführt. Davor hatten wir so viele verschiedene Einheiten: Einen Kubikfuß, eine Reihe von Längen, Gran, Feinunze, Karat, Pfund für die Masse und damals, 1799, empfahl die Französische Akademie der Wissenschaft ein System, das besser als das alte war. Damals wurde der Meter, das Kilogramm eingeführt und Sie wissen, der Meter bezog sich auf den zehn-millionstel Teil eines Viertels des terrestrischen Längengrades. Das Kilogramm entspricht der Masse eines Dezimeter Wasserwürfels bei der Temperatur schmelzenden Eises. Das war die Grundidee, dann aber wurden diese Prototypen hergestellt und jeder sollte diese Prototypen für Länge und Masse verwenden. Dies ist die Demonstration davon, mit dem Meter und dem Kilogramm. Dies wurde international durch die sogenannte Meterkonvention 1875 akzeptiert, doch bereits damals gab es kritische Anmerkungen, beispielsweise von Maxwell. Er sagte in einer Rede Folgendes: Die Wellenlänge, Frequenz und Atommasse sind für zeitunabhängige und stabile Grundeinheiten geeigneter.“ Das sagte Maxwell im Jahr 1870. Heute gehen wir genau in diese Richtung. Sie wissen, bei der Atomuhr ist es die Frequenz der Atome. Die erste Atomuhr, die Cäsium-Uhr von 1955, ist hier zu sehen, wir hörten auf dieser Tagung aber bereits mehrfach, dass wir heute Atomuhren mit der Genauigkeit von einer Sekunde in 15 Milliarden Jahren haben. Die Strontium-Gitter-Uhr, das bedeutet eine Sekunde über das Alter des Universums. Das hat sich also bereits etabliert und Maxwell empfahl auch die Verwendung der Wellenlängen. Wellenlängen einiger Spektrallinien als Standard für die Längeneinheit. Dies war bereits eingeführt. Zwischen 1960 und 1983 war die offizielle Definition des Meters diese Anzahl an Wellenlängen der besonderen Spektrallinie des Kryptons. Das also war bereits eingeführt, atomare Einheiten für Länge und Zeit. Wenn man Länge und Zeit hat, lässt sich auch Geschwindigkeit messen und das ist eine Entwicklung, die wir ausgehend von dem Prototyp des Meters der atomaren Wellenlänge heute haben, ein festgelegter Wert für die Fundamentalkonstante von Licht, die Lichtgeschwindigkeit, was die offizielle Definition der Länge eines Meters ist. Wenn man in der Literatur nachsieht, wird ein Meter als die Länge definiert, die das Licht im Vakuum während einer bestimmten Zeit durchläuft. Diese Definition ist die Definition der Lichtgeschwindigkeit. Der Gedanke feste Werte für die Fundamentalkonstanten als Grundlage für die internationalen Einheiten zu haben, stammt von Max Planck. Max Planck ist für die Quantenmechanik berühmt. zumindest alle Physiker sollten sie kennen, die Schwarzkörperstrahlung. In dieser Publikation von 1900 hat Max Planck diese Gleichung erörtert, und er hat zwei Konstanten eingeführt, heute bekannt als das Planck’sche Wirkungsquantum und die Boltzmann-Konstante. Max Planck war von diesen Konstanten mehr fasziniert als von der Quantenmechanik. Sie wissen, diese Gleichung wird der Beginn der Quantenmechanik genannt, dass nämlich Photonen, h*nu, eine bestimmte Energie haben, quantisierte Energie. Doch in diese Publikation von 1900 hatte Max Planck den fundamentalen Konstanten bereits ein umfangreiches Kapitel gewidmet. Und er verwies mit Hilfe der Fundamentalkonstanten darauf, dass wir die Möglichkeit haben, Längeneinheiten festzulegen, Einheiten von Zeit, Masse und Temperatur, die notwendigerweise für alle Kulturen bedeutsam sind, selbst für außerirdische und nicht-menschliche. Wir haben also etwas im gesamten Universum, diese Fundamentalkonstanten. Wenn es also irgendwo auf Exoplaneten Lebewesen gibt, dürften die ebenfalls diese Fundamentalkonstanten herausfinden. Dies ist also etwas sehr Allgemeingültiges. Ich versuche also Außerirdische zu bilden. Dieses ist der Hörsaal unseres Instituts und ich versuche sie über die Fundamentalkonstanten zu unterrichten und über die Bedeutung des Quanten-Hall-Effekts, was meine Entdeckung ist. Das Ergebnis war nicht sehr interessant, sie waren aber freundlich genug, zu Klatschen. Diese Fundamentalkonstanten, ich glaube das sind die stabilsten Größen und die beste Grundlage für universelle Einheiten. Das Problem ist: Verfügen wir über hochpräzise Messungen der Fundamentalkonstanten? Und die Planck-Einheiten, die von Planck eingeführt wurden, sind nutzlos. Er stellte Planck-Längen, Planck-Masse, Planck-Zeit vor, doch 10^-35 Meter oder 10^-44 Sekunden sind keine praktischen Einheiten. In der Messkunde also, in der Wissenschaft vom Messen, müssen wir immer diese Einheiten anwenden. Daher ist es so wie heute bereits sehr viel besser, da wir die Lichtgeschwindigkeit haben, die sich sehr genau messen lässt. Ich denke, der Durchbruch ergab sich durch den Josephson-Effekt. Die hochgenauen Messungen bei Verwendung der Josephson-Konstante, 2e/h. e ist eine Elementarladung, h ist das Planck’sche Wirkungsquantum. Brian Josephson wurde leider zu Beginn dieser Woche krank, ursprünglich wollte er hier teilnehmen. Er machte bereits im Alter von 23 Jahren seine wichtigste Entdeckung. Ich hoffe, Sie sind hierfür nicht bereits zu alt. Dieses war jedoch eine berühmte Abhandlung, die letztendlich zur Auszeichnung mit dem Nobelpreis führte. Das wichtige Ergebnis hier war, dass wir eine eins-zu-eins-Beziehung zwischen einer Spannung und der Fundamentalkonstanten h/2e haben. n ist eine Ganzzahl und die Frequenz ist durch Atomuhren sehr gut bekannt. Es gibt also eine eins-zu-eins-Beziehung zwischen Spannung und Fundamentalkonstanten und das National Bureau of Standards, heute NIST, in den Vereinigten Staaten, war das erste, das sagte: „Gut, das werden wir als unsere amtliche Spannungsnorm verwenden.“ Und sie verwenden den speziellen Wert. Dies ist also ein veröffentlichter Wert, die Vereinigten Staaten setzen ihn ein, um die Spannung zu definieren, denn bis dahin, wurde die elektrochemische Zelle verwendet, mit der Definition, dass diese Zelle die Spannung von 1,018 Volt hat. Leider wurden auch diese Messungen in Frankreich vorgenommen und in Frankreich verwendet man andere Werte. Hier sehen Sie, 2e/h, dies war der beste Wert, um diese chemische Zelle repräsentieren zu können. Russland hat eine andere. Und glücklicherweise gab es eine Vereinbarung, dass alle anderen Länder einen anderen Wert akzeptieren, diesen Wert. Zu der Zeit hatten wir auf der Welt vier verschiedene Volts. Ein Voltmeter in den Vereinigten Staaten und ein Voltmeter in Frankreich waren unterschiedlich. Prinzipiell konnte man den Unterschied kennen, denn man kennt die verschiedenen Werte dieses Wertes von 2e/h. den Spannungsstandard, der auf einer natürlichen Konstante basierte. Es gab diese Vereinbarung, diese Zahl zu verwenden, überall auf der Welt diese Zahl, damit wir weltweit das gleiche Volt haben. Hier kommt meine Entdeckung ins Spiel. Meine Entdeckung, ich werde nicht die Einzelheiten des Quanten-Hall-Effekts besprechen. Endergebnis ist, und das ist sehr wichtig, wir haben einen elektrischen Widerstand, sehr hohe Genauigkeit, die folgenden Wert hat: h/e^2. Dies ist ein experimenteller Faktor, am Ende werde ich Ihnen etwas zeigen, und Sie finden auf der Liste der Fundamentalkonstanten jetzt diesen konventionellen Wert. Also diesen Wert für die Josephson-Konstante und diesen Wert für die von-Klitzing-Konstante, die jeder weltweit für Spannung verwendet und für Widerstand. Diese Werte für dieses Phänomen in der Festkörperphysik. Für die praktische Anwendung beziehen sich Spannung, Widerstand, auf diese Konstanten. Wenn wir also Quanteneinheiten mit dem Index 90 haben, denn 1990 wurde der quantisierte Hall-Widerstand international als Widerstandstandard eingeführt. Die Spannung, ein festgelegter Wert für 2e/h, und wenn man das kombiniert, haben Sie auch das Ampere, oder Kapazität, oder Induktanz oder ein Watt in Einheiten dieser Quanteneinheiten. Andererseits haben wir aber unser offizielles Internationales System, die SI-Einheiten. Diese sind Grundeinheiten. Sie wurden 1990 angepasst, es gab also zwischen diesen beiden Welten eine Vereinbarung, die Idee des neuen Systems wird jetzt sein, dass das neue SI diese beiden Welten verbindet. Die Quanteneinheiten mit unserem Internationalen Einheitensystem. Mit diesem Quantenphänomen, Quanten-Hall-Effekt, Josephson-Effekt und zusammen mit der Frequenz Atomuhr, können wir den elektrischen Widerstand definieren, der in h/e^2 ausgedrückt wird, und auch Kapazität, Induktivität, Spannung und Strom. Schließlich sieht man, selbst die Masse, das Kilogramm, kann mit diesen Fundamentalkonstanten in Zusammenhang gebracht werden, und es besteht eine eins-zu-eins-Verbindung zum Planck’schen Wirkungsquantum. Wenn Sie in den Archiven nachsehen, können Sie eine Publikation finden "A LEGO Watt Balance". Ein Gerät demonstriert die Definition der Masse, basierend auf dem neuen SI. Für etwa $1.000 können Sie alle Einzelheiten kaufen und Ihre eigene Watt-Waage bauen. Nicht mit allzu großer Genauigkeit, aber gut genug für die fundamentale Physik. Die Masse m wird verwendet, um das Planck’sche Wirkungsquantum zu bestimmen oder das lässt sich in Zukunft in einer anderen Richtung vornehmen, ein festgelegter Wert für das Planck’sche Wirkungsquantum wird die Definition der Masse sein. Dies ist ein Bild dieser LEGO-Watt-Waage, bei der wir eine Kompensation der mechanischen Kraft gegenüber der elektrischen Kraft haben. Und diese Watt-Waagen werden in sehr vielen Ländern gebaut, hier habe ich eine Zusammenfassung der verschiedenen Gerätschaften, um das Kilogramm im Verhältnis zum Planck’schen Wirkungsquantum zu realisieren. Ich will Ihnen die Grundidee zeigen. Bei einer Waage wirkt auf einer Seite eine Kraft und auf der anderen Seite eine andere Kraft. Die Masse also auf dieser Seite, und auf dieser die elektrische Kraft. Eine Spule in einem Magnetfeld, und ein bestimmter Strom fließt durch diese Spule. Das ist der erste Schritt, gewöhnlich ist es sehr kompliziert die genauen Angaben über den Bereich dieser Spule, das Magnetfeld zu erhalten. Deshalb gibt es ein zweites Experiment. Man bewegt die gleiche Spule in ein Magnetfeld und veranlasst eine Spannung. Das erste Experiment ist ein elektrischer Motor, das zweite, das andere Experiment ist einfach die Generation einer bestimmten Spannung. Wenn man diese beiden Experimente kombiniert, hat man diese beiden Experimente und kann die komplizierte Funktion entfernen, nämlich die Änderung des Flusses abhängig von der Lage, dann bekommt man eine Gleichung, bei der die veranlasste Spannung des zweiten Experiments mal dem Strom des ersten Experiments die Kraft aus der Masse ergibt. Wenn man alles verbindet, findet man diesen eins-zu-eins-Zusammenhang zwischen dem Planck’schen Wirkungsquantum und der Masse. Auf diese Art hat man diese Konstanten mit dem Planck’schen Wirkungsquantum gemessen, durch verschiedene Watt-Waagen, und Sie sehen jetzt diese Ergebnisse. Wenn es eine Vereinbarkeit mit dieser Unsicherheit von 5*10^-8 gibt, werden wir die Richtung ändern, wir werden den Wert irgendwo hier festlegen, dann kann jeder die Masseneinheit auf Grundlage des festgelegten Wertes des Planck’schen Wirkungsquantums realisieren. Vielleicht haben Sie gehört, dass nicht nur die Watt-Waage in Verbindung mit einem neuen Kilogramm steht. Es gibt auch das sogenannte Avogadro-Projekt. Das Avogadro-Projekt trägt auch zum Wert des Planck’schen Wirkungsquantums bei. Viele Wissenschaftler glauben, das Avogadro-Projekt sei nur eine Anzahl Atome, und dass man dann eine bestimmte Zahl Atome als ein Kilogramm definieren kann. Dem ist aber nicht so. Das Avogadro-Projekt wird verwendet, um einen anderen Zugang zum Planck’schen Wirkungsquantums zu erhalten. Denn man möchte das Planck’sche Wirkungsquantum so, dass die elektrischen Einheiten, der Josephson-Effekt, Quantum-Hall-Effekt, als Grundeinheiten für unser SI-System verwendet werden können. Die Grundidee für das Avogadro-Projekts ist: Wir können die Rydberg-Konstant in der Spektroskopie mit sehr hoher Genauigkeit messen. Und die Feinstrukturkonstante alpha, ist ebenfalls sehr bekannt. Lichtgeschwindigkeit ist der nächste Wert. Die einzige Masse, die Masse eines Elektrons in der Rydberg-Konstante, ist ein Problem, denn man muss atomare Masse gegen makroskopische Massen verbinden. Daher ist das Avogadro-Projekt wichtig, um diese Verbindung zwischen atomaren Einheiten und makroskopischen Einheiten zu bekommen. Hauptproblem ist hier, die Definition der atomaren Masse in Kilogramm, und daher gibt uns das Avogadro-Projekt diese Verbindung, man kann diesem Wert eine Zahl geben. Bei diesem Avogadro-Projekt misst man das Volumen, Masse, und die Anzahl der Atome eines einzelnen Siliziumkristalls. Hauptsächlich in Deutschland konzentriert man sich in diese Richtung, während die meisten anderen Länder die Watt-Waage verwenden. Beide geben Ihnen aber schließlich den Wert des Planck’schen Wirkungsquantums. Die offizielle Definition, die neue Definition, des Kilogramms wird in Zusammenhang mit dem Planck’schen Wirkungsquantum stehen, und nicht damit, wie man dies in welcher Art von Experimenten messen kann. Dies ist ein Bild, da haben wir den Prototyp, das Kilogramm. Dann hier ein Bild des Avogadro-Projekts, mit der Siliziumkugel und dies ist eines mit den Watt-Waagen. Doch wie erwähnt, das Planck’sche Wirkungsquantum wird dann das Endergebnis sein. Das Avogadro-Projekt und die Watt-Waage lassen eine hohe Präzision des Planck’schen Wirkungsquantums zu. Die Watt-Waage ist in viele Ländern aufgebaut worden und scheint der beste Weg, die Masseneinheit auf der Grundlage eines festen Wertes für das Planck’sche Wirkungsquantum zu realisieren. Der Quantum-Hall-Effekt wird eine wichtige Rolle im Internationalen Einheitensystem spielen. Der ehemalige Direktor des Bureau International des Poids et Mesures sagte Folgendes: Zum Schluss spreche ich nur zu den Studenten. Ich habe es nie erzählt: Wie entdeckt man einen neuen Effekt. Ich beginne also nicht mit dem Quantum-Hall-Effekt, sondern mit dem klassischen Hall-Effekt. Der wurde bereits 1879 von Edwin Hall entdeckt. Er maß die Spannung, die senkrecht zum Strom auftritt, während der Strom durch ein Material fließt, durch das ein Magnetfeld wiederum senkrecht wirkt. Das ist der klassische Hall-Effekt und dies sind die Originalveröffentlichungen. Das Endergebnis ist, man hat eine Hall-Spannung, diese blaue Spannung, die proportional zur Stärke des Magnetfeldes und dem Strom ist. Dies wurde in sehr vielen Experimenten verwendet, da man von der proportionalen Konstante gewöhnlich die Information über die Konzentration geladener Teilchen erhält. Das ist eine Standardmethode. Wenn man solch eine Hall-Spannung misst, und wenn das Magnetfeld verstärkt wird, das lineare Verhalten, dann ist das der klassische Hall-Effekt. Ich habe also eine Menge Experimente durchgeführt und verwende solch einen X-Y-Recorder. Vielleicht wissen Sie heutzutage nicht, was der X-Y-Recorder ist. Doch es ist sehr wichtig, dass die Höhe 25 Zentimeter war. als Beispiel, denn 25 Millivolt sind 25 Kiloohm und wenn man eine experimentelle Kurve vornimmt, sieht man gewöhnlich einige Abweichungen. Alle möglichen Geräusche. Vibrationen, elektrisches Rauschen, verschiedenste Störfaktoren. Am Ende des X-Y-Recorders sah ich aber immer etwas, das für verschiedene Proben reproduzierbar schien. Das war wirklich eine unerwartete Beobachtung. Dem folgte ich und identifizierte, dass dieser Widerstandswert der quantifizierte Hall-Widerstand ist. Heute können wir das alles sehr viel besser. Hier habe ich einen klassischen Hall-Effekt, diese getüpfelte Linie in dieser Kurve. Heute können wir alle diese hübschen Plateaus generieren. Diese Plateaus, unabhängig vom Material, wir verwenden heute Silizium, Gallium, Arsenid, Graphen. Man benötigt nur ein sogenanntes zweidimensionales System und starke Magnetfelder, dann beobachtet man Plateaus und diese Plateauwerte haben mindestens zehn Stellen. Überall, in all diesen Materialien, derselbe Wert, der gleiche Widerstandswert, der sich auf h/e^2 bezieht, und eine Ganzzahl, dieses nu, das hier sechs ist, hier sieben, acht hier und so weiter. In Science gab es vor zwei Jahren eine Publikation, die mit dem Hall-Effekt von 1879 begann, dann folgte der Quanten-Hall-Effekt und dann die neue Generation von Hall-Effekten. Spin Hall-Effekt, Quanten Spin Hall-Effekt, Anomaler Hall-Effekt, Quanten Anomaler Hall-Effekt. Und immer sieht man am Rand der Probe etwas Besonderes. Oft kann man Folgendes finden: aber die Mutter des topologischen Phänomens.“ Denn der hat etwas mit der Topologie an der Grenze eines Geräts zu tun. Und sehr oft findet man diese Aussage: „Der erste topologische Nichtleiter, was ein sehr neues Gebiet ist.“ Ich habe keine Zeit über Physik zu reden, wenn Sie es heute aber tun, Quanten-Hall-Physik, da gibt es diese hübschen Plateaus mit diesen Ganzzahlen, vier oder drei oder zwei, und Sie sehen eine Menge anderer Strukturen. Ich habe hier einige physikalische Phänomene angedeutet, die etwas mit wechselwirkenden Elektronensystemen zu tun haben. Streifenphasen, gepaarte Composite Fermionen und dies steht in Zusammenhang mit Quantenrechnung, Nicht-Abel’sche Statistik, da steckt also eine Menge Physik dahinter. Ein Thema für die Nachmittag-Sitzung mit den Studenten, oder für die nächste Tagung der Nobelpreisträger nächstes Jahr, da diese sich auf Physik konzentrieren wird, dann werde ich mehr über Einzelheiten der Physik reden können. Wenn Sie heute Nachmittag kommen, habe ich für Sie ein Geschenk, ein Geschenk, das von Bill Phillips stammt. Bill Phillips hat auch einen Vortrag gehalten und er sprach auch ein wenig über die fundamentalen Konstanten, und versprach, in seiner Master-Lesung heute Nachmittag um drei Uhr, wird er jedem, der eine Frage, eine wissenschaftliche Frage stellt, ein Geschenk machen. Ich hatte das Glück und bekam diese kleinen Karten mit all diesen fundamentalen Konstanten. Und da können Sie sehen, dass die Josephson-Konstante und die Klitzing-Konstante im neuen Internationalen Einheitensystem sein werden, als feste Zahlen, denn der Gedanke ist, den Wert von e und h festzulegen. Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Klaus von Klitzing (2015)

A New Kilogram in 2018: The Biggest Revolution in Metrology Since the French Revolution

Klaus von Klitzing (2015)

A New Kilogram in 2018: The Biggest Revolution in Metrology Since the French Revolution

Abstract

Metrology - the science of measurements - is responsible for the international uniformity and precision in standards. Today, the seven units for meter, kilogram, second, ampere, kelvin, mole, and candela of our international system of units (SI units) are used as a basis to express everything in nature by numbers and units. The first global system of units was introduced during the French Revolution with prototypes for the meter and kilogram. Even today, an artefact of platinum iridium is by definition the international unit of mass but this standard is not stable enough. Therefore, the General Conference on Weights and Measures at his last meeting in November 2014 encouraged the international metrology community to complete all work until July 2017 necessary for a replacement of the current SI by a new system based on constants of nature. The quantum Hall effect (Nobel Prize 1985) plays a crucial role in this development, not only for the electrical units but also for the kilogram.

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