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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2011
Grundlagen der Metrologie
Graphen p-n Reihenschaltungen als quantisierte Widerstandsnormale
Es wurde ein Konzept für ein Quanten-Hall-Effekt-Bauelement demonstriert, bei dem die besondere Eigenschaft des Materials Graphen ausgenutzt wird, elektrischen Transport mit positiven und negativen Ladungsträgern zu ermöglichen. In Reihenschaltungen kann man damit quantisierte Hall-Widerstände als ganzzahlige Vielfache von h/2e² realisieren.
Elektrische Eigenschaften von Graphen auf Galliumarsenid
Nach der erfolgreichen Präparation der ungewöhnlichen Materialkombination Graphen auf Galliumarsenid wurden, als Voraussetzung für mögliche weitere Anwendungen, erstmals auch die elektrischen Transporteigenschaften solcher Proben untersucht.
Quantenbasierte Impedanzmessbrücken ermöglichen breitbandige Kalibrierung von Impedanzverhältnissen
Eine neu entwickelte Messbrücke, bei der programmierbare Josephson-Schaltungen eingesetzt werden, erlaubt die breitbandige Charakterisierung von Widerstands- und Kapazitätsverhältnissen mit hoher Präzision innerhalb einer kurzen Messzeit.
Erster Durchlauf des „Electron Counting Capacitance Standard“-Experiments in der PTB gelungen
Das "Electron Counting Capacitance Standard"(ECCS)-Experiment ermöglicht die Durchführung eines fundamentalen Konsistenztests zwischen den in der elektrischen Metrologie eingesetzten Quanteneffekten, dem Josephson- und dem Quanten-Hall-Effekt. In der PTB ist die Durchführung dieses Experiments nun erstmalig gelungen. Die in diesen, noch vorläufigen, Testdurchläufen bereits erzielte geringe relative Unsicherheit von weniger als zwei Teilen in einer Million ist sehr vielversprechend im Hinblick auf weitere Verbesserungen des Experiments, die in der PTB zurzeit vorangetrieben werden.
Superdomänen in ferromagnetischen Schichten mit Lochgittern
Durch Strukturierung ferromagnetischer Filme mit periodischen Lochgittern auf Nanometerskala lassen sich die Eigenschaften der Filme gezielt verändern. In systematischen Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften solcher Lochgitter konnte nun erstmals ein neuartiger Typ magnetischer Domänenübergänge, die sogenannten Superdomänenwände, nachgewiesen und untersucht werden.
Serienschaltungen von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen – Stabilisierung durch Rückkopplung
Die Serienschaltung von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen mit integrierter Ladungsdetektion stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quanten-Stromstandard dar. Dabei auftretende Rückkopplungseffekte können zudem die Stabilität der Einzelelektronenpumpen verbessern.
Kontrolle einzelner Elektronen bei höchsten Magnetfeldern – ein neues Werkzeug für die Forschung
Eine halbleiterbasierte Einzelladungspumpe ermöglicht die kontrollierte Emission einzelner Elektronen und Löcher in ein zweidimensionales Elektronensystem auch noch bei höchsten Magnetfeldern von 30 Tesla. Dies erlaubt die gezielte Erzeugung von Anregungen in ganzzahligen und insbesondere auch fraktionalen Quanten-Hall-Systemen.
Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle
In der PTB konnte erstmals mit einer integrierten Halbleiterschaltung eine quantisierte Spannung erzeugt werden. Dies gelang durch Verbindung einer Einzelelektronenpumpe und eines Quanten-Hall-Widerstandes auf einem Halbleiterchip. Bislang konnten solche quantisierten Spannungen nur mittels supraleitender Schaltungen erzeugt werden.
Magnetischer Nanoschalter für Thermospannungen
Ein neu entdeckter Effekt in magnetischen Tunnelstrukturen erlaubt die Kontrolle von Thermospannungen in nanoelektronischen Schaltungen
Hochpräzise Frequenzmessungen im THz-Spektralbereich
Durch Konvertierung eines optischen Frequenzkamms in den THz-Bereich wurde eine Technik zur hochpräzisen, rückführbaren Messung von THz-Frequenzen demonstriert.
Ladungsträgeroszillationen in GaAs-Quantenfilmen
Durch Anregung von GaAs-Quantenfilmen mit Femtosekunden-Laserimpulsen wurden ultraschnelle Oszillationen von Ladungsträgern in der Ebene der Quantenfilme induziert. Diese Oszillationen, die ohne das Anlegen eines äußeren Feldes auftreten, zeigen, dass der Übergang von leichten zu schweren Löchern in GaAs-Quantenfilmen zur Emission von THz-Strahlung genutzt werden kann.
Einzel-Cooper-Paar-Transistor auf Basis supraleitender Nanodrähte
Aus einer amorphen NbSi-Schicht wurde eine Transistor-Nanodrahtstruktur hergestellt, die aus einer Insel zwischen zwei schmalen Bereichen und einer daran kapazitiv angekoppelten Gateelektrode besteht. Im Experiment zeigte die Struktur die erwartete periodische Abhängigkeit der IU-Kennlinie von der Gatespannung.
NbxSi1-x-Josephson-Kontakte für programmierbare 10-V-Spannungsnormale
Zur Herstellung optimierter programmierbarer 10-V-Spannungsnormalschaltungen für den Einsatz bei 70 GHz werden an der PTB SNS-Josephson-Kontakte mit NbxSi1-x-Barrieren eingesetzt.
Untersuchung von supraleitenden On-Chip Nb-Resonatoren mit Koppelkapazitäten im Mikrowellenbereich
Für den Frequenzbereich 2 GHz – 6 GHz wurden verschiedene On-Chip-Mikrowellenkomponenten entwickelt und hergestellt, darunter supraleitende Koplanar-Wellenleiter-Resonatoren und LC-Resonatoren hoher Güte. Die Integration von Josephsonkontakten oder SQUDs in diese supraleitenden Resonatoren soll die Messung von kleinsten Signalen mit hoher Empfindlichkeit ermöglichen.
Josephson-Kontakte mit NbxSi1-x-Barrieren ermöglichen höhere Ausgangsspannungen von pulsgetriebenen AC-Spannungsnormalen
Die Ausgangspannung von Spannungsnormalen aus pulsgetriebenen AC-Josephson-Schaltungen konnte durch den Einsatz von Josephson-Kontakten mit NbxSi1-x-Barrieren erhöht werden, wodurch ein Betrieb bei höheren Pulsfolgefrequenzen ermöglicht wird.
Nano-SQUIDs mit SNS-Josephson-Kontakten kleiner als 100 nm
In einer Kooperation mit der Universität Tübingen wurden verschiedene Nano-SQUID-Schaltungen hergestellt und erfolgreich eingesetzt. Durch Weiterentwicklung der Technologie konnten SQUID-Designs weiter miniaturisiert werden, wobei Josephson-Kontakte mit Abmessungen kleiner als 100 nm realisiert wurden.
Durchstimmbare Sub-THz-Oszillatoren basierend auf Serienschaltungen von Nb-NbxSi1-x-Nb-Josephsonkontakten
In Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich und dem Institut für Mikrostrukturphysik RAS in Nizhny Novgorod, Russland, gelang die Herstellung von Josephson-Oszillatoren mit einer bei Zimmertemperatur verfügbaren Leistung von bis zu 7 µW im Frequenzbereich von 0,15 bis 0,25 THz.
Einzelelektronenpumpen mit SET-Fehlerdetektoren: Herstellung und erste Messungen
Zur Detektion von Pumpfehlern wurden Serienschaltungen von Einzelelektronenpumpen zusammen mit Einzelelektronen-Transistoren auf einem Chip integriert.
Hybride Supraleiter-Normalleiter Einzelelektronenfallen mit extrem langen Haltezeiten
Die Einzelelektronen-Haltezeiten einer hybriden Speicherzelle konnten durch gezielte Unterdrückung des Einzelphotonen-Emissionsrauschens ihrer unmittelbaren elektromagnetischen Umgebung um mehrere Größenordnungen verlängert werden. Dank eines doppelt-geschirmten Probenraums im Messkryostaten des finnischen metrologischen Instituts MIKES stieg die Haltezeit einer Speicherzelle von ursprünglich 20 Sekunden auf ca. 10 Stunden an. Durch integrierte RC-Filterung und bessere Abschirmung gelang es inzwischen, selbst in einer Standard-Messeinrichtung Haltezeiten von bis zu 40 Minuten zu erzielen.
Metrologie für die Wirtschaft
Technologietransfer von Messwerterfassungssoftware
Im Rahmen des MNPQ-Programms des BMWi soll ein in der PTB entwickeltes modulares Messwert-Erfassungsprogramm in ein kommerzielles Softwareprodukt integriert werden.
Das MNPQ-Projekt „AC-Quantenvoltmeter“
Im Rahmen des MNPQ-Programms des BMWi wurde in der PTB ein Technologietransferprojekt zur Etablierung von quantenbasierten Wechselspannungsnormalen in der Industrie gestartet.
Messtechnik für magnetische Sensoren
In einem von der PTB koordinierten europäischen Forschungsprojekt wird Messtechnik für magnetische Sensoren entwickelt.
Forschungsprojekt „Ultrafast Electronics and High Speed Communications (Ultrafast)“ gestartet
Im Juli 2011 ist der Startschuss für das EMRP-Forschungsprojekt „Ultrafast Electronics and High Speed Communications (Ultrafast)“ gefallen, in dem die PTB zusammen mit sechs weiteren nationalen metrologischen Instituten und weiteren Partnern an neuen Messverfahren für Signale und Komponenten arbeitet, die bei der Übertragung sehr hoher Datenraten verwendet werden.
Hochfrequenz-Leistungskalibrierung im Frequenzbereich 75 GHz bis 110 GHz
Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Hohlleitermikrokalorimeters für den Frequenzbereich 75 – 110 GHz erweitert die PTB ihr Leistungsangebot im Bereich der Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren.
Elektromagnetische Charakterisierung von Materialien für Industrieanwendungen bis in den Mikrowellenbereich
Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramm EMRP ist im Juli 2011 das Projekt EMINDA (Electromagnetic Characterisation of Materials for Industrial Applications up to Microwave Frequencies) erfolgreich gestartet. Ziel des Projektes ist es, unterschiedliche Methoden für die Charakterisierung von Materialien im Hochfrequenzbereich zu entwickeln und für die Industrie ein entsprechendes Kalibrierangebot zu schaffen.
Simulation parasitärer Moden in On-Wafer-Kalibriersubstraten gelungen
In Zusammenarbeit mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik in Berlin und dem NIST, dem nationalen metrologischen Institut der USA, in Boulder, Colorado, ist erstmals die numerische Simulation unerwünschter Moden in kommerziellen On-Wafer-Kalibriersubstraten gelungen. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgte mit Streuparametermessungen im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz.
Breitbandige On-Wafer-Kalibriernormale in CMOS-kompatibler Membrantechnologie
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnologie der TU Braunschweig wurde ein reflexionsarmer Übergang von hochleitfähigem Silizium zu einem in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiter entwickelt, gefertigt und messtechnisch bis 110 GHz charakterisiert. Die Leitungsstruktur kann als Kalibriernormal für On-Wafer-Streuparametermessungen mit höchster Präzision eingesetzt werden.
Metrologie für die Gesellschaft
Simulation von Bombenblindgängern für die Kampfmittelortung
Wie Schlagzeilen in der Presse immer wieder belegen, ist die Ortung von Bomben-Blindgängern aus dem zweiten Weltkrieg auch heute noch ein Problem. Im Rahmen einer Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe „Magnetische Messtechnik“ der PTB Braunschweig und der Firma Sensys GmbH, Bad Saarow, wird an neuen Testverfahren gearbeitet, mit denen Sonden für die Suche nach diesen Blindgängern überprüft und zugelassen werden können.
Digital-Abtastsystem hoher Linearität für Wechselleistungsmesstechnik und Netzqualitätsmessungen
Für die Wechselleistungsmesstechnik und Netzqualitätsmessungen wurde ein Digitalisierer höchster Abtastgenauigkeit entwickelt. Das kompakte und mehrkanalige Abtastsystem weist integrale Nichtlinearitäten von einigen μV/V bei Abtastraten bis zu 128 kHz auf und wird die Messmöglichkeiten der PTB im Bereich der Wechselleistung- und Netzqualitäts-Messungen erweitern. Die damit erreichbaren Messunsicherheiten bei Netzfrequenzen sind mit denen des primären PTB Wechselleistung-Abtastnormals vergleichbar.
Dreiphasiges Leistungsnormal
Die Rekalibrierung der dreiphasigen Arbeitsnormale für Leistung wird mit Hilfe eines neu entwickelten Leistungsnormals bedeutend erleichtert. Basierend auf zwei kaskadierten Direct-Digital-Synthesizern (DDS) ermöglicht das Messsystem quasi-synchrones Abtasten ohne Hardwaremodifikationen von Leistungsquelle und Abtastvoltmeter.
HGÜ-Gleichstrommesstechnik
Ein Prüfplatz für DC-fähige Stromwandler wurde aufgebaut und auf die Normale der PTB zurückgeführt.
Elektroimpulsgeräte (EIG), Waffen für den freien Handel
Der Gesetzgeber fordert seit dem 1. Januar 2011 für das Inverkehrbringen von Elektroimpulsgeräten (im allgemeinen Sprachgebrauch auch Elektroschocker genannt) ein offizielles Prüfzeichen, welches durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt vergeben wird.
Messtechnik zur Bestimmung von Wirkungsgraden an HGÜ - Umrichtern
Im Rahmen eines von der EU geförderten Gemeinschaftsprojekts, an dem mehrere europäische metrologische Institute und Universitäten beteiligt sind, befasst sich die TU Braunschweig gemeinsam mit der PTB mit Umrichtertechnik – hier insbesondere
mit dem Aufbau einer auf nationale Normale rückführbaren Messmöglichkeit zur Bestimmung der integralen Verluste an Umrichtern. Hintergrund ist die im europäischen Raum zunehmende Anwendung der über große Distanzen im Vergleich zur Wechselspannungs-
übertragung verlustärmeren Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) elektrischer Energie.
Projekt zur Feldexposition von Hautzellen im Terahertz-Frequenzbereich abgeschlossen
Das vom Bundesamt für Strahlenschutz geförderte Projekt „Gentoxische Effekte von Terahertz-Strahlung in vitro ?“ wurde nach drei Jahren Projektlaufzeit und einer dreimonatigen Projektverlängerung zur Durchführung weiterer Untersuchungen erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinären Vorhaben, in dem Hautzelllinien Terahertz-Strahlung ausgesetzt wurden, konnten keine gentoxischen Effekte festgestellt werden.
EMRP-Forschungsprojekt „Traceable measurement of field strength and SAR for the Physical Agents Directive (EMF and SAR)“ abgeschlossen
Nach dreijähriger Projektlaufzeit konnte das Projekt „EMF and SAR“, in dem sieben europäische nationale metrologische Institute zusammen an der Entwicklung rückgeführter Messtechnik für elektromagnetische Felder im Frequenzbereich bis 300 GHz gearbeitet haben, erfolgreich abgeschlossen werden.
Kooperation mit dem Deutschen Amateur-Radio-Club e. V. (DARC)
Im Rahmen einer Kooperation mit dem DARC wurde eine symmetrische Streifenleitung für den Frequenzbereich zwischen 1 MHz und
30 MHz entwickelt, die als Gebrauchsnormal für die Kalibrierung von Feldsonden dienen kann und mit der die einfache und schnelle Kalibrierung von Feldsonden für den DARC mit geringer Messunsicherheit möglich ist.
Optimaler Wirkungsgrad ergibt nicht immer den maximalen Nutzen
Im Rahmen des EMRP Projektes „Energy Harvesting“ wurden erste Untersuchungen an piezoelektrischen Mikrogeneratoren durch-
geführt. Die Analyse der Messergebnisse hat gezeigt, dass solche Generatoren am Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrades nicht die maximal mögliche Ausgangsleistung erzeugen.
Internationale Angelegenheiten
Informationsveranstaltung zum erfolgreichen Abschluss der Auftaktrunde des europäischen Metrologie-Forschungsprogramms
Im Mai 2011 wurden der Fachöffentlichkeit auf einer Informationsveranstaltung die Ergebnisse von vier Forschungsprojekten zu Themen der elektrischen Quantenmetrologie präsentiert. Die Projekte wurden, unterstützt durch die EU, in der iMERAplus-Phase des europäischen Metrologie-Forschungsprogramms EMRP (European Metrology Research Programme) durchgeführt und sind in 2011 erfolgreich abgeschlossen worden.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-11-22,
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