Wirtschaft

Das Prinzip dieses Experiments besteht darin, eine Kapazität C (= 1 pF) mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen N (= 107) zu beladen und die am Kondensator entstehende Spannung U von etwa 1,6 V genau zu messen (Bild 1). Mit der Zahl N der Elektronen ist somit auch C genau bestimmt, und man erhält ein neuartiges Normal für die elektrische Kapazität, welches auf ihrer fundamentalen Definition C = Ne/U beruht. Die Manipulation der einzelnen Ladungsträger geschieht mit einer im Reinraumzentrum der PTB hergestellten Einzelelektronen-Schaltung (SET), die sich aus einer SET-Pumpe (zum Transfer bzw. zum "Abzählen" der einzelnen Elektronen) und einem SET-Elektrometer (zur Spannungsvergleich) zusammensetzt. Auf dem Weg zur Realisierung des SET-Kapazitätsnormals wurden im Jahr 2004 Fortschritte erzielt, wobei sich die durchgeführten Arbeiten im Wesentlichen auf Herstellung und Charakterisierung der SET-Bauelemente konzentrierten. Zunächst...

Wesentliche Komponenten eines Josephson-Synthesizers zur Erzeugung hochgenauer Gleich- und Wechselspannungen sowie beliebiger Wellenformen sind optimierte Josephson-Schaltungen. Für den Einsatz in einem Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS), der z. Z. im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens JAWS mit Partnern aus sechs europäischen Ländern entwickelt wird, sind kompakte Schaltungen, die kurz gegenüber der Wellenlänge der eingestrahlten Pulsfolge sind, von besonderem Interesse. Verschiedene Schaltungen auf der Basis von SINIS-Josephson-Kontakten (Supraleiter/Isolator/Normalleiter/Isolator/Supraleiter) wurden an der PTB entwickelt, in der bewährten Nb-Al2O3-Technologie hergestellt und charakterisiert. Die Kontakte sind in eine Koplanarleitung mit einer Impedanz von 50 Ω integriert. Diese Schaltungen werden bei Projektpartnern erfolgreich in einer Laborversion des JAWS eingesetzt.

Aufgrund der moderaten Stromdichten sind...

In der PTB kommen seit etwa 12 Jahren Elektronenstrahl-Lithographiesysteme zum Einsatz, um Strukturen im sub-μm-Bereich zu erzeugen. Darüber hinaus werden die Systeme eingesetzt, um Fotomasken für die optische Lithographie herzustellen. Die Einsatzbereiche umfassen im wesentlichen Schaltungen für die Untersuchung des Einzelelektronentunneleffektes und des Josephson-Spannungsnormals. Im Rahmen einer Modernisierungsmaßnahme wurde das vorhandene System ersetzt. Bei dem neu beschafften Gerät handelt es sich um ein Gerät der Firma Leica (Modell EBPG 5000+). Infolge der höheren Beschleunigungsspannung von 100 kV und der Verwendung einer Feldemissionskathode sind minimale Strukturbreiten bis hinunter zu 10 nm möglich. In ersten Belichtungsversuchen wurden 10 nm Strukturen in HSQ (Hydrogen silsesquioxane)erzeugt, was einer um den Faktor 3 höheren Auflösung gegenüber dem alten System entspricht. Weiterhin ermöglicht die höhere maximale...

Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen einzelne Elektronen nacheinander und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen eindimensionalen Halbleiterkanal geführt werden. Der Effekt erlaubt es, die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, zu verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim “Abzählen” der Elektronen so gering zu halten, dass eine insgesamt kleinere Unsicherheit als bei der "klassischen" Darstellung des Ampere resultiert, wäre die SI-Basis-Einheit Ampere auf ein Quantennormal zurückgeführt.

Das frühere Ergebnis, dass dieser Effekt bei einer geringeren akustischen Leistung auftritt, wenn der Kanal nicht perfekt sondern durch Störstellen unterbrochen ist, konnten wir nun in einem gemeinsam mit dem NPL, Grossbritannien, durchgeführten Projekt dadurch eindrucksvoll bestätigen, dass ein solcher gestörter Kanal mit lithographischen Methoden hergestellt und in seinen...

Zur Detektion ultraschneller elektrischer Signale bieten sich optische Messverfahren an, da sie größere Bandbreiten erzielen als elektronische Verfahren. Die PTB hat daher eine neue optische Methode entwickelt, um ultraschnelle elektrische Felder in Halbleitern zu messen. Sie basiert auf dem sogenannten Franz-Keldysh-Effekt, beim dem ausgenutzt wird, dass ein elektrisches Feld Oszillationen im Absorptionsspektrum eines Halbleiters verursacht. Ein optischer Puls mit einem genügend breiten Spektrum erfährt dadurch eine Absorptionsänderung, während er durch den Halbleiter propagiert. Diese Absorptionsänderung wird detektiert und ist ein Maß für das elektrische Feld. Das Feld kann in SI-Einheiten angegeben werden. Der entwickelte Messaufbau der PTB ist insbesondere für eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung konzipiert worden. Momentan wird eine zeitliche Auflösung von 150 fs und eine räumliche Auflösung von 1,5 μm erreicht.

Mit Hilfe...

Eine der bestehenden wesentlichen Schwierigkeiten bei der Herstellung komplexerer Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen ergibt sich aus der zeitlich korrekten Bereitstellung der Taktimpulse an den einzelnen Gattern. Josephsonkontakte mit externen Shunts in SIS-Technologie (Supraleiter/Isolator/Supraleiter) bieten die Möglichkeit, durch Einstellung verschiedener Werte der Shuntwiderstände flexible Gate-Delays asynchroner Logikgatter zu erreichen. Asynchrone RSFQ-Schaltungen, die auf der Basis von Dual-Rail Information Coding in lokal-definierter Taktgebung arbeiten, umgehen die durch globale Taktgebung bedingten Beschränkungen der konventionellen RSFQ-Logik. Für die Konzipierung komplexerer RSFQ-Schaltungen in SIS-Technologie ist zu berücksichtigen, dass einerseits den Josephsonkontakten durch die Leitungsführung der externen Shunts relativ große effektive Flächen zur Verfügung gestellt werden müssen, dass andererseits aber gerade...

Die sehr schnelle Datenübertragung von Flussquantenimpulsen der Supraleiter­elektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ist in komplexeren Schaltungen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. An der Schnittstelle zur Halbleiterelektronik werden auf Seiten der Supraleiterelektronik üblicherweise SFQ/DC-Konverter eingesetzt, deren Funktion es ist, die den SFQ-Pulsen (SFQ: Single Flux Quantum) inhärente digitale Information in analoge Spannungspulse zu konvertieren. Bei den in der PTB hergestellten SFQ-Schaltungen fallen am Ausgang dieser Konverter Spannungspulse mit Amplituden von ca. 100 μV an, die für die weitere Signalverarbeitung genutzt werden müssen. Konventionelle Halbleiter­elektronik ist jedoch zur Weiterverarbeitung dieser kleinen Signale mit Bandbreiten im GHz-Bereich in der Praxis nicht einsetzbar. Um den Datentransfer zwischen beiden Elektronikgattungen zu erleichtern, wurde ein Spannungstreiber in Rapid...

Kleine supraleitende Tunnelkontakte ermöglichen die Manipulation von einzelnen Cooper-Paaren und können beispielsweise bei der Entwicklung von Quantennormalen für die elektrische Stromstärke und für die Konstruktion von Quantenbits eingesetzt werden. Üblicherweise werden solche Bauelemente in Schrägbedampfungstechnik aus Aluminium hergestellt. Die Verwendung von Niob (Nb) anstelle von Aluminium (Al) ist aufgrund der höheren Energielücke Δ und der damit verbundenen größeren Josephson-Kopplungsenergie für viele Anwendungen von Vorteil, da die gewünschte Beziehung zwischen der Josephson-Kopplungsenergie EJ, der Ladungsenergie EC, und der thermischen Energie kBT leicht realisiert werden kann: EJ ≈ EC >> kBT. Auf der Basis der in der PTB vorhandenen langjährigen Erfahrung mit der Nb/AlOx/Nb-Technologie für Spannungsnormal- und RSFQ-Logikschaltungen wurde die Herstellungstechnologie weiterentwickelt mit dem Ziel, Tunnelkontakte geringer...

Überdämpfte Josephsonkontakte sind die Schlüsselelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen. Durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts lassen sich in Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonelementen (SIS) hysteresefreie Strom-Spannungs-Charakteristiken einstellen, was die korrekte Funktion von RSFQ-Schaltungen gewährleistet. Heutzutage wird die RSFQ-Elektronik als vielversprechende komplementäre Elektronik zu Netzwerken mit Josephson Quantum Computing Strukturen angesehen. Insbesondere wird in der Klasse der auf Josephsonelementen aufgebauten RSFQ-Schaltungen ein hohes Potential gesehen, um Kontrolle, Auslesen und Verarbeitung von Information in Josephson-Qubit-Systemen zu ermöglichen. Unter den hohen technologischen Herausforderungen zur Kopplung von RSFQ- und Qubit-Schaltungen werden als größtes Problem die von einer RSFQ-Schaltung rückwirkenden Rauscheinflüsse gesehen, was ernsthafte Auswirkungen auf die...

Vielfach-Thermokonverter (Multijunction Thermal Converter, MJTC) in dreidimensionaler Bauart bilden in der PTB seit 20 Jahren die Grundlage für den Transfer von Wechsel- zu Gleichstromstärke. Die Transferdifferenz eines solchen MJTC (Heizerwiderstand 27 Ω) ist für Stromstärken von 20 bis 50 mA im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz kleiner als 1 μA/A mit einer berechenbaren Unsicherheit von 1 bis 3 μA/A im Bereich 1 bis 100 kHz. Die Herstellung dieser MJTC ist allerdings sehr aufwändig. Sie wurde schon Ende der 80er Jahre eingestellt, nachdem ein planarer Vielfach-Thermokonverter auf einem Silizium-Chip (PMJTC) entworfen und zusammen mit dem Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. (IPHT) bis zur Serienreife entwickelt worden war. Dieser wird vom IPHT seit einigen Jahren hergestellt und weltweit vertrieben. Als Primärnormal wurde aber weiterhin der dreidimensionale MJTC verwendet, da die Transferdifferenzen des PMJTC nicht mit...