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Auf Naturkonstante zurück geführt

Silizium-Einkristall: Massenbestimmung neu definiert

| Redakteur: Marc Platthaus

Prototyp eines Silizium-28 Einkristalls nach der Züchtung in einer Floating Zone Anlage im Kontext des KILOGRAMM-Projekts.
Prototyp eines Silizium-28 Einkristalls nach der Züchtung in einer Floating Zone Anlage im Kontext des KILOGRAMM-Projekts. (Bild: IKZ)

Es liegt in Sèvres bei Paris und hat die Massebestimmung der vergangenen 130 Jahre bestimmt: das Ur-Kilogramm. Nun wird es abgelöst durch einen Nun wird es abgelöst durch eine Naturkonstante, die gezüchteten Einkristalle aus dem hoch angereicherten Isotop Silizium-28 zurückgeführt wird. Diese wurden am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) gezüchtet.

Berlin – Bereits am 16. November 2018 wurde auf der 26. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris das neue Internationale Einheitensystem (SI) beschlossen. Nun trat das System am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, offiziell in Kraft. Von jetzt an bilden sieben Naturkonstanten das Fundament allen Messens.

Für das Kilogramm gilt ab sofort die Neudefinition über die Planck-Konstante, und somit wird diese Einheit nicht mehr über die Masse des Ur-Kilogramms bestimmt. Davon profitieren vor allem die Wissenschafts- und Hochtechnologie-Communities. Das IKZ hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass das fast 130 Jahre alte künstliche Objekt des Ur-Kilogramms abgelöst wird, denn die am IKZ gezüchteten hochperfekten Kristalle aus nahezu isotopenreinem Silizium-28 (28Si, Anreicherung bis zu 99,9995%) waren für dieses Vorhaben von entscheidender Bedeutung.

Kristallmasse und Zahl der Atome in Beziehung gebracht

Bei diesen Kristallen haben nahezu alle Atome die gleiche Masse und sind in einem regelmäßigen dreidimensionalen Gitter angeordnet, was eine sehr genaue Zuordnung zwischen der Masse des Kristalls und der Zahl seiner Atome ermöglicht. Aus diesem Zusammenhang konnte der Wert der Avogadro-Konstante mit nie dagewesener Präzision abgeleitet werden und damit als fundamentale Naturkonstante unter anderem zur Definition des Kilogramms herangezogen werden, da mithilfe der Avogadro-Konstante die Plank-Konstante genauer bestimmt werden konnte. Im neuen SI wird der Wert der Avogadro-Konstante festgelegt und ein Mol enthält deswegen genau 6,02214076 x 1023 Einzelteilchen.

Alle sieben Basiseinheiten über Naturkonstanten definiert

Insgesamt werden alle sieben Basiseinheiten nun über Naturkonstanten definiert. Bei der Sekunde (mit dem Hyperfeinstrukturübergang des Grundzustands im Cs-Atom), beim Meter (über die Lichtgeschwindigkeit) und bei der Candela (über das photometrische Strahlungsäquivalent einer speziellen Strahlung) ist dies bereits seit vielen Jahrzehnten der Fall. Nun ziehen auch die übrigen Einheiten nach, wobei hier die Elementarladung (für das Ampere), die Boltzmann-Konstante (für das Kelvin), die Avogadro-Konstante (für das Mol) und die Planck-Konstante (für das Kilogramm) die entscheidenden Rollen spielen.

Im Rahmen der von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) geführten „KILOGRAMM“-Projekte wurden aus den im IKZ nach dem Float-Zone-Verfahren (FZ) gezüchteten 28Si-Kristallen mehrere sehr präzise Kugeln mit weniger als 20 nm Formabweichungen bei rund 94 mm Durchmesser und mit einer defektfrei polierten Oberfläche präpariert. Unter diesen Voraussetzungen gelang es der PTB, die Zahl der 28Si-Atome, die eine Kristallkugel von 1 kg Gesamtmasse ergeben mit der geforderten Unsicherheit von weniger als 2 x 10-8 zu bestimmen.

Die Anzahl der Silizium-28 der Kristallkugel beträgt: 2,152538397 x 1025 Atome.

Um die notwendige Reinheit der aus diesem Material gezüchteten Kristalle zu gewährleisten, sind diverse materialintensive Schmelzzonen-Reinigungsschritte notwendig. Die besonderen Herausforderungen waren deshalb der ca. 1000-fach höhere Materialpreis gegenüber herkömmlichem Silizium sowie die begrenzte Stoffmenge.

Silizium-Expertise am IKZ

Silizium gilt als ein sehr umfassend untersuchtes Halbleitermaterial, das weltweit die Mikroelektronik und damit die Kommunikationstechnologien dominiert. Das IKZ wird weiterhin an den extremen Anforderungen für die weitere Verbesserung der Materialeigenschaften arbeiten, um künftige Anwendungen wie künstliche Intelligenz und Quantentechnologien zu ermöglichen. „Die im Rahmen dieses Metrologie-Projektes entwickelte Expertise des IKZ zu isotopenreinen Si-Kristallen erlaubt uns, künftig eine zentrale Rolle als Materialforschungsinstitut bei der Entwicklung innovativer Quantentechnologien einzunehmen“, so Prof. Dr. Thomas Schröder, Wissenschaftlicher Direktor des IKZ.

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