Wirtschaft

Im Rahmen des internationalen Forschungsvorhabens KATRIN (KArlsruhe TRItiumNeutrinoexperiment) am Forschungszentrum Karlsruhe [1] zur experimentellen Bestimmung der Neutrinomasse wurde im Institut für Kernphysik der Universität Münster [2] in Zusammenarbeit mit der PTB ein Hochspannungsteiler bis 35 kV konstruiert, aufgebaut und eingemessen. Aufgabe des Spannungsteilers ist die genaue Messung der Analysierspannung für die untersuchten Tritium-β-Elektronen, wobei der Endpunktbereich von 18 keV des β-Spektrums mit sub-eV-Genauigkeit bestimmt werden soll. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit und Stabilität seitens KATRIN wurde der Spannungsteiler in vergleichbarer Art wie der vor einigen Jahren in der PTB für Gleichspannungen bis 100 kV entwickelte Normalspannungsteiler konstruiert [3]. Merkmale dieser Teilerkonstruktion sind: Schirmung des Teilers durch Einbau in einen gasisolierten Kessel, Temperaturstabilisierung im...

Das Primärnormal der PTB für die elektrische Wechselleistung basiert auf der digitalen Abtastung der elektrischen Wechselgrößen Spannung und Stromstärke, wobei die Einheit Watt aus einer Verhältnismessung von Spannung und Stromstärke und dem Quadrat des Effektivwertes einer Spannung [1] abgeleitet wird. Die Verhältnismessung ergibt den Wert eines Widerstandes, so dass die Einheit Watt aus den Einheiten Volt und Ohm eindeutig auf die SI Einheiten rückgeführt wird. Ausführliche theoretische und experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass ein derartiges Normal Messunsicherheiten unter 5 µW/VA aufweist. Obwohl die Messunsicherheiten des Systems ausreichend klein sind, blieb das System stark abhängig von der Stabilität einer internen Gleichspannungsreferenz und möglichen störenden Effekten infolge der harmonischen Komponenten der zu messenden Wechselsignale.

Da der Effektivwert eines Signals beliebiger Kurvenform mit Hilfe von...

Die Nutzung der Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik für messtechnische Anwendungen erfordert die Realisierung von Schnittstellen, die einen sehr schnellen Datentransfer von der Supraleiterelektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ermöglichen. Die in der RSFQ-Elektronik verarbeitete Information kann an der Schnittstelle durch SFQ/DC-Konverter zur Verfügung gestellt werden, welche die den Einzelflussquantenpulsen inhärente Information in analoge Spannungspulse umwandelt. Unter den Bedingungen der bei der Herstellung der RSFQ-Schaltungen einzuhaltenden Technologieparameter liefern die Konverter Spannungspulse mit Amplituden von ca. 100 µV bei gleichzeitig sehr niedriger Ausgangsimpedanz von etwa 1 Ω. Zur breitbandigen Weiterverarbeitung dieser Signale im GHz-Bereich ist konventionelle Halbleiterelektronik in der Praxis jedoch nicht einsetzbar.

Beim Aufbau eines integrierten Quanten-Synthesizers für beliebige...

Der Josephson-Arbitrary-Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglicht die Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenform. Er basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Pulsfolge betrieben werden. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Wesentliche Komponente dieses Josephson-Synthesizers sind hierfür optimierte Josephson-Schaltungen. Von besonderem Interesse sind dabei kompakte Schaltungen, die kurz gegenüber der Wellenlänge der eingestrahlten Pulsfolge sind, da sie einen relativ einfachen Betrieb der Schaltungen erlauben. In den vergangenen Jahren wurden Schaltungen auf Basis von SINIS-Josephson-Kontakten u. a. im Rahmen des von der EU geförderten Vorhabens JAWS an der PTB entwickelt und in der bewährten Nb-Al2O3-Technologie hergestellt (S: Supraleiter, I: Isolator, N: Normalleiter). Diese Schaltungen werden inzwischen an der PTB und europäischen Partnerinstituten im...

Das Ziel dieses Verbundvorhabens war die Erforschung und erstmalige Demonstration von organischen Dünnschichtlaserdioden. Dazu sollten grundlegende Untersuchungen neuartiger kohärent emittierender Strahlquellen auf Kunststoffbasis durchgeführt werden. Die Verwendung von organischen Materialien für die Herstellung von Dünnschichtlaserdioden bietet zwei wesentliche Vorteile: Der erste ist die Durchstimmbarkeit der Emmissionswellenlänge über den gesamten sichtbaren Spektralbereich. Der zweite Vorteil liegt darin, dass die verwendeten Technologien es ermöglichen, große Flächen und flexible Substrate kostengünstig zu beschichten. Die in dem Verbundvorhaben zusammengeführten Arbeitsgruppen aus der Chemie, der Physik und der Elektrotechnik untersuchten alle Teilaspekte auf dem Weg zur organischen Dünnschichtlaserdiode. Dazu gehören die Synthese und Charakterisierung der organischen Materialien und die Entwicklung des Designs für das...

Ein gezielt manipulierbares Zweizustands-Quantensystem wird als Quantenbit (Qubit) bezeichnet und erlaubt neben der Untersuchung makroskopischer Quanteneffekte auch den Bau von Quantencomputern. Die Schaltung zum Nachweis von Ladungs-Phasen Qubits besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch zwei Josephson-Kontakte mit einer dazwischen liegenden kleinen Insel, den so genannten Bloch-Transistor, unterbrochen wird. Mit Hilfe einer Steuerelektrode kann die Ladung der Insel manipuliert werden, und durch ein äußeres Magnetfeld kann die Phase der quantenmechanischen Wellenfunktion beeinflusst werden. Vervollständigt wird das Ganze durch einen an die genannte Schleife induktiv angekoppelten HF-Resonanzkreis.

Zur Unterdrückung magnetischer Störfelder wird die supraleitende Schleife in Form eines Gradiometers ausgeführt. Die komplette Qubit-Struktur wird in Niob-Dünnschichttechnik realisiert. Elektronenstrahllithographie und reaktive...

An der PTB wurden bereits eine Reihe von Messungen von Josephson-Kontakten in Niob-Technologie mit dem Hochfrequenz-Ausleseverfahren für die Impedanz von Josephson-Kontakten nach Rifkin und Deaver, Jr. durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu bisherigen Experimenten die kleinen Josephson-Kontakte bei DC-Messungen nicht nur einen sehr geringen Leckstrom im Sub-Gap-Bereich aufweisen, sondern dass auch die aus der Phasenmodulation ermittelten kritischen Ströme in der Größenordnung der Ambegaokar-Baratoff-Werte liegen. Unsere Messungen umfassen sowohl Untersuchungen von Einzelkontakten wie auch von Doppelkontakten, sogenannten Bloch-Transistoren, bei tiefen Temperaturen bis 20 mK. Im Experiment werden die Resonanz-Kurven bzw. die Fluss-Modulations-Kurven ausgewertet. Bild 1 zeigt eine typische Resonanzkurve eines untersuchten Bloch-Transistors. Man erkennt eine bezogen auf die Frequenz des Resonanzkreises asymmetrische...

Die Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik wird als viel versprechender Bestandteil von Josephson-Schaltungen zur Quanteninformationsverarbeitung angesehen. Auf der Basis überdämpfter Josephsonelemente eignen sich RSFQ-Schaltungen grundsätzlich für effiziente Kontrolle und Auslesen von Quanten-Bit (Qubit) Zuständen. Dabei sind geeignete Werte der Überdämpfung der Kontakte durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts gezielt einzustellen. In einem solchen Falle besteht Kopplung zwischen der RSFQ-Schaltung und dem Qubit derart, dass eine aktive Schaltungsumgebung gebildet wird, die wie ein klassischer kryogener Computer operiert. Jedoch erzeugen die Shuntwiderstände der Josephsonelemente Stromfluktuationen, die zu signifikanter Dekohärenz des Qubits beitragen, selbst im passiven (supraleitenden) Zustand der Josephsonelemente. Ein Erfolg versprechendes Verfahren zur Reduzierung dieser Fluktuationen, und damit zur Erhöhung der...

Durch die zunehmende Miniaturisierung magnetischer Systeme und Bauelemente entsteht derzeit ein wachsendes Interesse an geeigneten magnetischen Messtechniken: Für die detaillierte Charakterisierung von strukturierten magnetischen Medien mit Submikrometerstrukturen muss eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht werden. Andererseits erlaubt nur ein großer Abbildungsbereich Aussagen über Ensembles von Strukturen, z. B. zur Charakterisierung der Homogenität der Ensembles und der zugrunde liegenden Fertigungstoleranzen. Weiterhin erfordert ein detaillierter Vergleich von Proben die quantitative Messung von Streufeld- und Magnetisierungswerten. Um alle diese Anforderungen zu erfüllen, wird in Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen ein Verfahren entwickelt, das auf einer Kombination von magneto-optischer- (MO-) und Magnetkraftmikroskopie (MFM) basiert. Die MO-Mikroskopie ermöglicht eine quantitative Streufeldmessung...

Der Einzel-Elektronen-Transport durch einen Nano-Kanal mit Hilfe akusto-elektrischer Wellen wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht mit dem Ziel, ihn als Quantenstandard für die Einheit ’Ampere’ nutzbar zu machen. Als Kernproblem auf dem Weg dorthin wurde die zu hohe Temperatur sowohl des Kristallgitters, in dem die Elektronen sich bewegen, als auch des Elektronenensembles selbst erkannt. Die Überhitzung des Elektronenensembles kommt dadurch zustande, dass man mit sehr hohen akustischen Leistungen arbeiten muss, um die Elektronen über eine Potentialbarriere im elektrisch blockierten Kanal zu transportieren. Die Elektronen nehmen dabei Überschussenergie auf, die in Wärme umgesetzt wird.

Wir konnten nun erstmals nachweisen, dass auch bei kleinen akustischen Leistungen ein quantisierter Elektronentransport möglich ist, wenn ein fast offener Kanal benutzt wird. Für diesen Nachweis nutzten wir die elektronischen Eigenschaften des...