CONSTANTE VAN PLANCK NU NOG NAUWKEURIGER MET QUANTUMBALANS

Amerikaanse onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) zijn erin geslaagd de constante van Planck met niet eerder vertoonde precisie te bepalen. De waarde van deze centrale grootheid in de moderne natuurkunde, symbool van het quantumkarakter van materie en straling op kleine schaal, is nu vastgesteld op h = 6,62606891(58)x10 Js, waarbij het getal tussen haakjes de onzekerheid in beide laatste decimalen aangeeft (Physical Review Letters, 21 sept.).

Als meetmethode hanteerden de NIST-onderzoekers een balans in de vorm van een katrol, opgesteld in een geïsoleerd gebouw om trillingen en elektromagnetische verstoringen tegen te gaan. Aan de rechterkant van het draaiwiel (diameter 62 cm) hangt een inductiespoel (2355 wikkelingen). Deze omsluit een supergeleidende magneet (200.000 wikkelingen, bekrachtigd met een constante stroom van 5,6 ampère en via vloeibaar helium afgekoeld tot 4 graden boven het absolute nulpunt) en bevindt zich boven een identieke, aan de magneet bevestigde inductiespoel. Laserinterferometers registreren de beweging van de spoel.

Aan de linkerkant kan (net als rechts) op een schaaltje een gewicht worden geplaatst. Een aandrijfspoeltje hangt om een vaste hulpmagneet.

De meting bestaat uit twee delen. Eerst wordt er een stroom door de aandrijfspoel gestuurd. Hierdoor komt de balans in beweging en daalt de inductiespoel rechts met 2 mm/s. Net als in een fietsdynamo genereert deze beweging een spanning (hier op basis van het quantum Hall-effect), welke evenredig is aan de constante van Planck.

Vervolgens plaatsten de onderzoekers op het schaaltje links een tegengewicht van 500 gram, waarna ze een stroom van 10 mA door de inductiespoel stuurden om het evenwicht in stand te houden. Op het rechterschaaltje werd een gewicht van een kilo afwisselend geplaatst en weer verwijderd, waarbij de stroomrichting door de inductiespoel steeds werd omgedraaid. Het in de spoel ontwikkelde elektrisch vermogen is (op basis van het quantummechanische Josephson-effect) opnieuw evenredig met de constante van Planck.

Combinatie van beide metingen stelde de onderzoekers in staat storende factoren, waaronder de geometrie van de opstelling, te elimineren. Zo wisten ze de nauwkeurigheid in de bepaling van h met een factor twee te vergroten. Een verdere verbetering is mogelijk door de balans in vacuüm te plaatsen. Een extra voordeel van deze meetmethode is dat er een definitie van de kilogram op is te baseren die geheel uitgaat van quantumeenheden. Dan kan ook de platina kilo in het Franse Sèvres, in navolging van de meter, eindelijk naar het museum.