Quantum Metrology (eBook)

Prof. Ernst O. Göbel was president of the PTB, the German national metrology institute from 1995 until the end of 2011. He obtained his degrees from the Johann-Wolfgang Goethe University Frankfurt (diploma) and University Stuttgart (PhD), Germany. After a postdoctoral stay at Bell Laboratories in Holmdel, USA, he continued his scientific career at Stuttgart University, and subsequently at the Max-Planck-Institut for Solid State Physics in Stuttgart, Germany. In 1985 he was appointed full professor at the Philipps-University in Marburg, Germany. His main areas of expertise are solid state physics, in particular semiconductor physics, laser physics and metrology. He has published more than 350 scientific articles and received several scientific awards such as the Leibnitz-prize of the German Research Ass. (DFG) and the Max-Born Award jointly provided by the Institute of Physics (London) and the German Physical Society (DPG). He is member of several academies, e.g. the Berlin-Brandenburgische Academy of Science, Acatech - the German Academy of Engineering, the National Academy of Science Ukraine, and the Metrology Academy of Russia.

Foreword
Preface
List of Abbreviations

INTRODUCTION

BASICS
Measurement
The SI (Système International d'Unités)

LASER COOLING, ATOMIC CLOCKS, AND THE SECOND
Techniques for Laser Cooling
The Cs-Fountain Clock
Optical Clocks

SUPERCONDUCTIVITY, JOSEPHSON EFFECT, AND FLUX QUANTA
Josephson Effect and Quantum Voltage Standards
Flux Quanta and Superconducting Quantum Interference Devices

QUANTUM HALL EFFECT
Basic Physics of Three- and Two Dimensional Semiconductors
Two-Dimensional Electron Systems in Real Semiconductors
The Hall Effect
Quantum Hall Resistance Standards

SINGLE-CHARGE TRANSFER DEVICES AND THE NEW AMPERE
Basic Physics of Single-Electron Transport
Quantized Current Sources
Consistency Tests: Quantum Metrology Triangle

PLANCK CONSTANT, THE NEW KILOGRAM, AND THE MOLE
The Avogadro Experiment
The Watt Balance Experiment
The Mole, Unit of Amount of Susbstance

BOLTZMAN CONSTANT AND THE NEW KELVIN
Primary Thermometers
Realization and Disseminiation of the New Kelvin

SINGLE-PHOTON METROLOGY AND QUANTUM RADIOMETRY
Single-Photon Sources
Single-Photon Detectors
Metrological Challenge

OUTLOOK

The book "Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements" offers a unique introduction to the planned modifications of our system of units and is recommended for students, scientists and lecturers who are interested in questions of quantum physics and its practical applications in metrology.

Prof. Dr. Klaus von Klitzing, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Seit zehn Jahren gibt es intensive Überlegungen, das internationale Einheitensystem zu renovieren. Ausschlaggebend waren Fortschritte in der Präzisionsmesstechnik, welche die Möglichkeit eröffneten, Maßeinheiten festzulegen, die nicht von Raum und Zeit abhängen. Bei der Längeneinheit Meter ist diese Entwicklung schon seit 1983 durch Rückführung auf eine Naturkonstante - die Lichtgeschwindigkeit ? zum Abschluss gekommen. Nicht nur das Meter, sondern auch die anderen Basiseinheiten unseres internationalen Einheitensystems sollen entsprechend einer Empfehlung der Generalkonferenz für Maße und Gewichte durch festgelegte Naturgrößen ersetzt werden. Ein entsprechender Beschluss könnte 2018 gefällt werden. Der Umschlag des vorliegenden Buches verdeutlicht die geplanten Änderungen: Insbesondere soll das Kilogramm über einen festgelegten Wert für die Planck-Konstante h, das Ampere über einen festgelegten Wert für die Elementarladung e und das Kelvin über einen festgelegten Wert für die Boltzmann-Konstante kB definiert werden.

Die Autoren dieses Buches sind bestens geeignet, die geplanten Änderungen unseres SI-Einheitensystems und die entsprechenden physikalischen Grundlagen zu erläutern. Ernst Göbel war mehr als 16 Jahre Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und hat als langjähriges Mitglied des Komitees für Maße und Gewichte die geplanten Umwälzungen von Beginn an miterlebt und gestaltet. Uwe Siegner als Leiter der Abteilung Elektrizität in der PTB ist in besonderem Maße von der geplanten Änderung im SI-Einheitensystem betroffen, da sich die elektrischen Einheiten durch international vereinbarte konventionelle Werte für die Josephson- und von-Klitzing-Konstanten von den offiziellen SI-Einheiten abgekoppelt haben und sich erst durch die geplante Neufestlegung der SI-Basiseinheiten in dieses Einheitensystem integrieren lassen.
Nach einer Einführung in die Grundlagen der Metrologie und in unser jetziges Einheitensystem werden in getrennten Kapiteln die experimentellen Methoden erläutert, die für die Neufestlegung der jeweiligen SI-Basiseinheit von Bedeutung sind. Das führt dem Leser die gesamte Breite der modernen Quantenoptik, Thermodynamik, Supraleitungs- und Festkörper-Nanophysik und deren Anwendung in der Metrologie vor Augen. Mit mehr als 500 Referenzen hat der Leser die Möglichkeit, sich in das jeweilige Fachgebiet zu vertiefen.

Das Buch "Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements" bietet einen hervorragenden Einstieg zum Verständnis der geplanten Änderungen in unserem Einheitensystem und ist Studierenden, Wissenschaftlern und Lehrenden zu empfehlen, die sich für moderne Fragen der Quantenphysik und deren praktischer Anwendung in der Metrologie interessieren.

Prof. Dr. Klaus von Klitzing, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart