Kilogramm 2.0: ein Kugelinterferometer übersetzt Planck in kg

Am 20.05.2019 waren zum Weltmetrologietag die sieben SI-Einheiten neu formuliert worden – durch die Definition aufderBasisvonNaturkonstantenkonntedasAmpere wieder in die SI-Einheiten zurückgeführt werden, und das Urkilogramm wurde nach 150 Jahren hervorragender Arbeit auf sein Altenteil gesetzt.

Die neue Definition für das Kilogramm lautet:
DasKilogrammist die SI-Einheit der Masse. Es ist definiert, indem für diePlanck-Konstantehder Zahlenwert 6,626 070 15 × 10–34kg m2s–1festgelegt wird.

Tatsächlich ist der Weg von der Planck-Konstante zum Kilogramm dann doch gar nicht so schwer: dank der Festlegung vonhundclässt sich die Elektronenmasse mesehr genau berechnen. Und wenn man die Elektronenmasse sehr genau kennt, kann man auch die Atommasse von 28Si sehr genau bestimmen. Nun braucht man nur noch etwa 2,15 × 1025  dieser  28Si-Atome und fertig ist ein Kilogramm. Da sich das Zählen als langwierig gestaltet, hat sich das gleichmäßige Anordnen in Einkristallen, das Anfertigen einer Kugel und die interferometrische Messung des Volumens dieser Kugel als vorteilhaft erwiesen. Um mit der ehemaligen Unsicherheit des Urkilogramms Schritt zu halten, ist der Durchmesser einer solchen 90mm-Silizium-Kugel mit einer Gesamtunsicherheit von 0,3 Nanometer zu bestimmen – was deutlich unter dem Durchmesser eines Silizium-Atoms liegt. Dass dies mit einem sphärischen Interferometer und einer Kombination von spezifisch angefertigter Hochleistungsoptik, Regelelektronik und nicht zuletzt ausgetüftelten Justagestrategien und Auswertealgorithmen gelingt, zeigen unsere Ergebnisse. Was noch dabei zu beachten ist,wird in dem Vortrag erläutert.