HELMHOLTZ-PREIS 1983 (Preisverleihung am 14.03.1983)
Günther Ebert, Thomas Herzog, Harald Obloh, Bert Tausendfreund für die Arbeit „Zur Anwendung des Quantisierten Hall-Effektes in der Metrologie“

Preisträger 1983: Nützlicher Quanten-Hall-Effekt

Prof. Dr. Dieter Kind, Günther Ebert, Bert Tausendfreund, Harald Obloh, Thomas Herzog

Günther Ebert, geboren 1953 in Kitzingen in Bayern, studierte Physik in Würzburg, wo er am Institut von Gottfried Landwehr, betreut von Klaus von Klitzing, 1979 seine Diplomarbeit machte. Nach einem Abstecher in die Industrie ging er an die TU München und promovierte dort 1983, wobei wiederum von Klitzing sein Betreuer war. 1985 ging er erneut in die Industrie. Seit 2006 ist er am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg tätig. 

Bert Tausendfreund, 1954 in München geboren, studierte Physik an der TU München und wurde dort 1984 von Klaus von Klitzing promoviert. Er arbeitete anschließend als Entwicklungsingenieur bei Heraeus und ließ sich von 1989 bis 1993 zum Patentanwalt ausbilden. Diesen Beruf übte er bis 2006 aus, seither ist er im Ruhestand.

Harald Obloh, geboren 1954 in Osnabrück, studierte Physik in Clausthal-Zellerfeld und an der TU München. Betreut von Klaus von Klitzing fertigte er dort 1982 seine Diplomarbeit und 1986 seine Dissertation an. Bis 1987 war er Postdoktorand bei von Klitzing am MPI für Festkörperforschung in Stuttgart. Seither ist er am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperforschung in Freiburg tätig.

Thomas Herzog (keine Informationen).

Wie schon der Josephson-Effekt (s. Helmholtz-Preis 1975) so stellt auch der Quanten-Hall-Effekt einen Zusammenhang her zwischen makroskopischen elektrischen Größen einerseits und den Naturkonstanten e (Elementarladung) und h (Planck-Konstante) andererseits. Klaus von Klitzing fand mit dem Quanten-Hall-Effekt, den er 1980 entdeckte, einen neuen Weg, elektrische Widerstandswerte mit sehr hoher Genauigkeit zu realisieren. Wird eine dünne, stromdurchflossene Schicht („zweidimensionales Elektronengas“) bei sehr tiefen Temperaturen einem starken Magnetfeld ausgesetzt, das senkrecht zur Schicht steht, so zeigt der Hall-Widerstand RH, also der Quotient aus Hall-Spannung und Stromstärke, bei Änderung des Magnetfeldes eine stufenförmige Kennlinie.

Auf den Stufen ist der Hall-Widerstand konstant mit den diskreten Werten: RH = RK/i (i = 1,2,...), die man mit hoher Genauigkeit reproduzieren kann. Die Größe RK, die „von Klitzing-Konstante“, ist durch RK = h/e2 gegeben. Ihr Wert beträgt etwa 25,8 kΩ. Die sich aus dem Quanten-Hall-Effekt ergebende Möglichkeit zur Realisierung von Widerstandswerten wurde schon 1980 von der PTB und anderen Metrologie-Instituten aufgegriffen. Welche physikalischen Systeme sich am besten für eine Präzisionsmessung der von Klitzing-Konstanten RK eignen, untersuchten die vier Diplomphysiker Günther Ebert, Thomas Herzog, Harald Obloh und Bert Tausendfreund als Doktoranden bei von Klitzing. Für ihre Arbeit „Zur Anwendung des Quantisierten Hall-Effektes in der Metrologie“ wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 1983 ausgezeichnet, der mit 5.000 DM dotiert war.

Im Rahmen ihrer Arbeit hatten die vier Physiker den Hall-Widerstand von Silizium-MOS-Transistoren und Indiumantimonid-Feldeffekttransistoren sowie von verschiedenen Halbleiterheterostrukturen so genau wie möglich gemessen. Wie die Messungen an GaAs-AlGaAs-Heterostrukturen bei einer Temperatur von 1,5 Kelvin und in einem Magnetfeld von etwa 8 Tesla ergaben, blieb der Hall-Widerstand innerhalb eines Magnetfeldbereichs von ca. 1 Tesla nahezu konstant. Seine relative Änderung betrug nur einige 10–8. Heute kann man mit GaAs-AlGaAs-Heterostrukturen, die man z. B. durch Molekularstrahl-Epitaxie herstellt, auf den beiden besonders gut ausgeprägten Widerstandsstufen mit i = 2 und i = 4 Widerstandswerte mit einer relativen Unsicherheit von wenigen 10–9 reproduzieren. Ebenso genau ist auch die von Klitzing-Konstante bekannt und reproduzierbar.

Dank des Quanten-Hall-Effekts und des Josephson-Effekts können die elektrischen Einheiten Ohm und Volt einheitlich definiert und weitergegeben werden.

Literature

G. Ebert et al.: Zur Anwendung des Quantisierten Hall-Effektes in der Metrologie. PTB-Mitteilungen 93, (1983), 293

Franz Josef Ahlers und Uwe Siegner: Stromstärke – Die SI-Basiseinheit Ampere. PTB-Mitteilungen 122, (2012), 59