Genauigkeitsrekord für elektrischen Widerstand

Fijalkowski hat den sogenannten Quantenanomalen Hall-Effekt auf neuem Präzisionsniveau untersucht und gezeigt, dass sich mithilfe dieses Quanteneffekts ein elektrischer Widerstand auch ohne äußeres Magnetfeld sehr exakt bestimmen lässt. Das könnte dazu beitragen, elektrische Einheiten wie Ohm, Volt und Ampere noch zuverlässiger und direkter über Naturkonstanten zu ermitteln. Der Helmholtzpreis wurden den drei Wissenschaftlern am 25. August 2026 in Berlin verliehen.

Wenn Quantenpräzision zum Maßstab wird

Fijalkowski, Wissenschaftler des Instituts für Topologische Isolatoren der Julius-Maximilians-Universität Würzburg sowie des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) forscht an einem Verfahren, mit dem sich der elektrische Widerstand mithilfe eines besonderen Effekts der Quantenphysik bestimmen lässt: dem Quantenanomalen Hall-Effekt.

Der klassische Quanten-Hall-Effekt wurde 1980 durch den Würzburger Nobelpreisträger Klaus von Klitzing entdeckt. Dieses Quantenphänomen tritt bei sehr tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern in einem zweidimensionalen Elektronengas auf. Dabei kann ein sehr dünnes Material unter geeigneten Bedingungen einen ganz bestimmten elektrischen Widerstand annehmen, der unabhängig von Form und Größe der Materialprobe ist. Stattdessen wird er durch Naturkonstanten festgelegt, unter anderem durch die Planck-Konstante und die Elementarladung. Dadurch ist der Effekt grundsätzlich als besonders stabiler und genauer elektrischer Standard geeignet.

Genauigkeit ohne äußeres Magnetfeld

Bisher benötigen Quanten-Hall-Standards jedoch in der Regel starke äußere Magnetfelder. Fijalkowski konnte gemeinsam mit zwei Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt zeigen, dass ein solcher Standard auch ohne ein angelegtes Magnetfeld funktionieren kann. Das macht die Methode deutlich einfacher, eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Messsysteme und unterscheidet den Quantenanomalen Hall-Effekt vom klassischen Quanten-Hall-Effekt. Fijalkowskis Messungen waren bereits äußerst genau: Die Abweichung vom international geltenden Referenzwert für den elektrischen Widerstand lag im Bereich weniger Milliardstel. Das beweist, dass der Quantenanomale Hall-Effekt grundsätzlich als Basis für eine neuartige Quanten-Widerstandsnormale geeignet ist.

„Unser Ziel ist es, elektrische Einheiten direkt auf unveränderliche Eigenschaften der Natur zurückzuführen“, sagt Kajetan Fijalkowski. „Ein neuer quantenbasierter Standard, der ohne äußeres Magnetfeld auskommt, spielt hierbei eine wichtige Rolle. Wir konnten diese neue Art von Widerstand nachweisen und haben damit zu den Grundlagen der Metrologie beigetragen.“

Bedeutung für Volt, Ohm und Ampere

Die Forschung ist vor allem für die elektrische Metrologie wichtig, die Wissenschaft des Messens. Ein zuverlässiger quantenbasierter Widerstandsstandard könnte langfristig helfen, verschiedene elektrische Einheiten miteinander zu verknüpfen. Er könnte beispielsweise mit dem Josephson-Effekt kombiniert werden. Dies ist ein weiterer wichtiger Quantenstandard, der die extrem genaue Bestimmung elektrischer Spannungen ermöglicht, aber nicht mit starken Magnetfeldern funktioniert. Daraus könnte in Zukunft ein umfassendes quantenelektrisches Messsystem entstehen. Spannung, Widerstand und Strom ließen sich damit auf gemeinsame physikalische Grundlagen zurückführen.

Auch für die Bestimmung des Kilogramms wären solche Messungen von Bedeutung. Bei modernen Verfahren werden dazu mechanische und elektrische Größen miteinander verbunden. Je genauer sich diese elektrischen Größen bestimmen lassen, desto präziser lässt sich auch das Kilogramm realisieren.

Metrologische Grundlagenforschung mit langfristiger Perspektive

Bis der neue Standard in alltäglichen Messgeräten eingesetzt werden kann, sind jedoch weitere Entwicklungsschritte nötig. Zurzeit finden die Experimente bei extrem tiefen Temperaturen und mit sehr kleinen elektrischen Strömen statt. Für die Industrie wäre eine Umsetzung noch zu teuer.

Die Arbeiten des Forscherteams zeigen aber schon jetzt, wie grundlegende Quantenphänomene für die Entwicklung künftiger Messstandards genutzt werden können. Somit verbinden sie die Grundlagenforschung zu topologischen Quantenmaterialien mit einer langfristigen Perspektive für die Anwendung in Wissenschaft, Technik und Industrie.

Die Forschungsarbeiten sind im Rahmen der EURAMET-Initiative (European Association of National Metrology Institutes) zur Entwicklung und Aufrechterhaltung einer international wettbewerbsfähigen Metrologie-Infrastruktur für Europa entstanden und werden unterstützt durch die europäischen Projekte TOCHA und EURAMET-QuAHMET. Die wissenschaftlichen Ergebnisse sind 2024 in Nature Electronics erschienen. Fijalkowski erhält den Helmholtz-Preis 2026 gemeinsam mit den beiden Co-Autoren Mattias Kruskopf und Dinesh Patel.

Helmholtz-Preis für besonders genaue Messungen

Der Helmholtz-Preis wird alle zwei Jahre von der Helmholtz-Gesellschaft und dem Helmholtz-Fonds vergeben. Er zeichnet herausragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Präzisionsmessungen und der Metrologie aus. Im Mittelpunkt stehen Forschungsarbeiten, die dazu beitragen, Messungen genauer, zuverlässiger und international vergleichbar zu machen. Der Preis erinnert an Hermann von Helmholtz, einen der bedeutendsten deutschen Physiker des 19. Jahrhunderts. Der Auszeichnung in der Kategorie „Grundlagen der Metrologie“ wurde am 25. August 2026 in Berlin an Kajetan Fijalkowski verliehen.

ctd.qmat

Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.

Publikation

Patel, D.K., Fijalkowski, K.M., Kruskopf, M. et al. A zero external magnetic field quantum standard of resistance at the 10⁻⁹ level. Nature Electronics 7, 1111–1116 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01295-w

Kontakt

Dr. Kajetan M. Fijalkowski, Institut für Topologische Isolatoren, Universität Würzburg, T +49 931 318 8900, kajetan.fijalkowski@uni-wuerzburg.de