Wirtschaft

Der oberste Dienstherr der PTB, Bundesminister für Wirtschaft und Energie Sigmar Gabriel, besuchte am 27. Februar die PTB in Braunschweig. Mit dem Präsidium besprach Minister Gabriel insbesondere strategische Perspektiven. Als das weltweit zweitgrößte Metrologieinstitut spielt die PTB, neben ihrer Bedeutung für das Messwesen in Deutschland, insbesondere eine große Rolle bei der Entwicklung europäischer und weltweiter Strukturen der Metrologie.

Die durchflusszytometrische Zählung von Zellen ist ein etabliertes Verfahren in der Laboratoriumsmedizin und dient der Unterstützung der Diagnostik in der Hämatologie, Immunologie, Onkologie und Transfusionsmedizin. Neben der Hochdurchsatz- Analyse der Proben in Zentrallaboratorien gibt es eine steigende Nachfrage nach einfacher und schneller Vor-Ort-Analytik für verschiedene Anwendungen. Dazu zählen unter anderem die Notfallmedizin, Entscheidungen zur Transfusion bei Operationen und die Diagnose und Therapiekontrolle bei HIV-Patienten in Entwicklungsländern. Von besonderem Interesse sind dabei Schnelltests, bei denen keine – in der Regel zeitaufwendige – Markierung der Zellen bzw. keine Zerstörung der roten Blutzellen durch Hämolyse erforderlich sind. Um die für solche Vor-Ort-Tests notwendigen einfach handhabbaren Einwegkartuschen zu entwickeln, werden vermehrt Untersuchungen an mikrofluidischen Baugruppen durchgeführt.

Durch die gelungene vertikale Integration von zwei übereinander liegenden leitfähigen Schichten in einer neuartigen Halbleiter-Struktur wird die Basis für Quantenschaltungen mit dekadischen Widerstandswerten erweitert.

Hochpräzise quantisierte Widerstandswerte können mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts (QHE) in leitfähigen zweidimensionalen Schichten (2DEG) in Halbleiter-Strukturen realisiert werden. In der PTB hergestellte neuartige Halbleiter-Strukturen enthalten zwei übereinander liegende leitfähige Schichten, die, und das ist das Entscheidende, die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Solche optimierten Doppel-2DEG-Strukturen bilden die Bausteine für integrierte Parallelschaltungen von QHE-Elementen auf einem Chip zur Realisierung von dekadischen Widerstandswerten und zur Erweiterung der Quanten-Ohm-Skala. Die vertikale Integration vereinfacht die laterale Verschaltung. Es wird erwartet, dass sich dadurch die...

Der jetzt mögliche Betrieb von Quanten-Hall-Widerständen mit Wechselstrom erlaubt die direkte Rückführung von Wechselstrom-Widerständen auf Naturkonstanten mit vorher nicht erreichbaren kleinen Unsicherheiten [1]. Unter Verwendung einer Quadraturbrücke lässt sich damit auch die Einheit der Kapazität mit Hilfe von Naturkonstanten reproduzieren [2]. Da der Abgleich der Quadraturbrücke frequenzabhängig ist, werden an den Brückengenerator höchste Anforderungen bezüglich spektraler Reinheit seiner sinusförmigen Ausgangsspannung und insbesondere seiner Frequenzstabilität gestellt. Ein Gerät mit diesen Eigenschaften ist kommerziell nicht erhältlich. Daher wurde ein Generator für die benötigte Frequenz 1233,14712 Hz entwickelt und aufgebaut, der von einem 5-MHz-Signal gesteuert wird, das von den PTB-Atomuhren geliefert wird. 

[1] J. Schurr, F. J. Ahlers, G. Hein, and K. Pierz, “The ac quantum Hall effect as a primary standard of impedance,“...

Einzelelektronen-Bauelemente basieren auf Schaltkreisen mit ultrakleinen elektrischen Tunnelkontakten. Sie ermöglichen einen kontrollierten Transfer von einzelnen Ladungsquanten in elektrischen Schaltungen sowie deren Detektion. Dies erlaubt die Untersuchung fundamentaler Fragestellungen in der Quantenmetrologie. An der PTB ist es nun gelungen, mit einer Einzelelektronen-Pumpe kleine "Ladungspakete" aus einer genau bestimmten Anzahl weniger Elektronen gezielt und präzise zwischen metallischen Elektroden hin- und her zu transferieren. Als Ladungsdetektor wurde ein Einzelelektronen-Transistor eingesetzt, der Ladungsänderungen von weniger als einem Elektron auflösen kann. Das erfolgreiche Experiment ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines neuen Kapazitätsnormals, bei dem ein Kondensator mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen geladen wird. Die entstehende Spannung kann mit Hilfe eines Josephson-Spannungsnormals...

Die ständig wachsende Nachfrage der Kalibrierstellen nach niedrigeren Messunsicherheiten hat die Entwicklung eines dreiphasigen Leistungsnormals motiviert. Das System verwendet die Methode der äquidistant digitalen Abtastung von Wechselspannungen und beinhaltet einige kommerziell erhältliche Komponenten wie Abtastvoltmeter und eine Wechselstromquelle für die Erzeugung von Spannung und Stromstärke. Es zeichnet sich durch eine extrem hohe Auflösung der Abtastfrequenz aus, so dass beliebige Signalfrequenzen damit gemessen werden können. Eine hohe Abtastfrequenzauflösung ist von grundlegender Bedeutung bei einer sequenziellen Mehrkanalabtastung. Verschiedene Abtastmethoden können damit durchgeführt werden (z. B. synchrone, quasisynchrone und asynchrone Messungen), ohne dass irgendwelche Bedingungen an die Erzeugung der Signale gestellt werden müssen. Darüber hinaus erwies sich das System bei der Untersuchung verschiedener...

Um die elektrischen Einheiten, wie Spannung, Widerstand und Stromstärke, mit höchster Präzision zu realisieren, werden heutzutage Quanteneffekte in speziellen Nano-Schaltungen eingesetzt. Ein wichtiges Ausgangsmaterial dafür sind extrem reine Halbleiterschichten, in denen sich hochbewegliche Elektronen, ohne mit Fremdatomen zusammenzustoßen, nahezu unbehindert bewegen können. Um für zukünftige Entwicklungen im Bereich der elektrischen Quantenmetrologie gerüstet zu sein, hat die PTB eine neue Molekularstrahlepitaxie-Anlage in Betrieb genommen, die für die Herstellung von Halbleiterschichten optimiert ist, die noch reiner sind als die bisherigen. Schon in den ersten Testschichten wurden extrem schnelle Elektronen beobachtet, mit einer Beweglichkeit, die mehr als fünfmal so hoch ist wie bisher. Die PTB baut damit ihre führende Stellung in der elektrischen Quantenmetrologie mit Halbleiterstrukturen aus. 

Halbleiter sind der Rohstoff für...

In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) konnte erstmals der physikalisch schnellstmögliche Schaltprozess einer magnetischen Speicherzelle realisiert werden. Mit Hilfe dieses ballistischen Schaltprozesses könnten nichtflüchtige Magnetspeicher genauso schnell arbeiten wie die schnellsten flüchtigen Speicherbauteile. Die Ergebnisse des Experiments wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. 
Die heute üblichen schnellen Computerspeicherchips wie DRAM und SRAM haben einen entscheidenden Nachteil: Bei Unterbrechung der Stromversorgung gehen die darauf gespeicherten Informationen unwiderruflich verloren. Abhilfe könnte das MRAM schaffen - das Magnetic Random Access Memory. In einem MRAM wird die digitale Information nicht in Form elektrischer Ladung gespeichert sondern über die Richtung der Magnetisierung in magnetischen Speicherzellen.

Abbildung: Bild einer typischen MRAM-Zelle wie sie im Experiment...

Das Pumpen einzelner Elektronen wird in der PTB im Hinblick auf ein zukünftiges Quantenstromnormal untersucht, das die elektrische Stromstärke auf die Größe der Elementarladung und auf die Frequenz zurückführt. Ein solches Quanten-Stromstärkenormal muss aber nicht nur eine geringe Unsicherheit aufweisen: Um praktische Relevanz zu haben, muss es auch Stromstärken liefern, die mindestens im Nanoamperebereich liegen. Dafür müssten einzelne Elektronen wesentlich schneller getaktet werden als bisher, was jedoch aufgrund eines fundamentalen Zusammenhangs zu einem Verlust der Kontrollierbarkeit und damit zu höherer Unsicherheit führt. Die Strategie, für eine größere Stromstärke viele Pumpen parallel zu betreiben, verbot sich jedoch bisher wegen der hohen Komplexität und geringen Reproduzierbarkeit der einzelnen Pumpen.

Auf der Suche nach einem für die Parallelisierung geeigneten Prinzip wurde nun eine neuartige Quantenschaltung auf der Basis...

Die Synthese von präzisen stufenförmig synthetisierten Josephson Sinusschwingungen für ein quantenbasiertes Wechselspannungsnormal wird durch die Fehler begrenzt, die bei den Übergängen zwischen den quantisierten Spannungsplateaus auftreten. Diese Transienten werden dabei durch mehrere Parameter beeinflusst. Mit einem einfachen Modell, das die Transienten mit einer einzigen Zeitkonstante beschreibt, können die Einflüsse dieser Parameter auf die Transienten untersucht werden. Das Modell ermöglicht auch Vorhersagen über die Abhängigkeiten vom angelegten Steuerstrom oder von der Mikrowellenleistung zu treffen: für stufenförmige Sinusschwingungen mit ansteigender Stufenzahl sollte die Differenz des Effektivwertes einer idealen und einer Sinuswelle mit Transienten nichtlinear abnehmen. Diese Abhängigkeit konnte in Experimenten mit Thermokonvertern bestätigt werden.
In einer Kooperation mit dem Mendeleyev Insitute for Metrology (VNIIM),...