Photonenimpuls ermöglicht reproduzierbare und SI-rückführbare Messungen von Kleinkraft, -masse und Laserleistung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Suren Vasilyan
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521501354

Das Projekt hat das Ziel, die im ersten Antrag entwickelten Methoden und Ansätze konsequent weiter zu entwickeln, und die notwendige Forschung am Photonenimpuls-Setup mit reproduzierbaren und SI-rückführbaren Rahmen von quantenelektrischen Messungen über die Planck-Konstante realisieren. Als Basis für das Projekt ist der bisher nicht publizierte Ansatz und Aufbau, das Kibble-Balance (d.h. Planck-Balance - PB2) und den Photonenimpuls zu verknüpfen und damit einen wichtigen, unerlässlichen Schritt in der Weiterentwicklung des SI-Einheiten-Systems zu ermöglichen. Wir verwenden eine spezielle Konfiguration des mehrfach reflektierten Laserstrahls von ultrahochreflektierenden Spiegeln, um einen Kraftverstärkungseffekt zu erreichen. Das System bietet die Möglichkeit, fundamentale messtechnische Untersuchungen durchzuführen und die State-of-the-Art Messprinzipien auf ein höheres Niveau zu setzen. Das System ist basiert auf konventionellen Messmethoden und verfügbaren Materialien, und bittet praktische Vorteile und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, z. B. als Standard-Messaufbau, der von Metrologie Instituten auf der ganzen Welt dringend gesucht ist, als Industrie-geeignete System für verbesserte hochpräzise und hochgenaue Messungen von kleinen Massen, kleinen Kräften und Hochleistungslaser sowie für die Kalibrierung von Instrumenten usw. Besonderes Interesse gilt dem Grenzbereich zwischen Quantenmechanik und klassischer Mechanik, in dem nur durch die Nutzung makroskopischer quantenelektrischer Phänomene wie Josephson-Effekt und Quanten-Hall-Effekt kleinstmögliche reproduzierbare und SI-rückführbare Messgrößen mit akzeptablen relativen Messunsicherheiten erreichbar sind. Mit diesem DFG-Projekt wird ein wesentlicher Beitrag zum Aufbau der wissenschaftlich-technischen Grundlagen. Umgerechnet in optische Leistungs- und Kraftwerte liegt dieser Bereich wohl bei einigen µW bis etwa 1 W für die Leistung und 10 µN (mg) bis 10 pN (ng) für die Kraft. Somit adressiert das Projekt die noch nicht praktisch realisierten Grenzen der Messung kleiner Kräfte (Bereich: 10 µN bis 10 nN), der Masse (1 mg bis 1 µg) und der optischen Leistung (mW bis 100 W) unter Verwendung einer grundlegend neuen State-of-the-Art Messprinzipien in reproduzierbarer und SI-rückführbarer Art. Aus diesem Grund konzentriert sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Rahmen dieses Antrags auf eine vollständige Beurteilung des Messunsicherheitsbudgets. Insbesondere zur Bestimmung der relativen Messunsicherheit von Kräften, die durch Photonenimpulse erzeugt werden, unter 100 nN und zur Bestimmung der geschätzten Meßunsicherheit für 10 µN – <0,001 (<0,1%), 1 µN - 1%.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen