Wirtschaft

Die als Teil des EU-Projekts „SQUBIT-2“ durchgeführten experimentellen Arbeiten konzentrierten sich im letzten Jahr auf die Optimierung der an der PTB konzipierten HF-Ausleseanordnung für ein Ladungs-Phasen-Quantenbit, d.h. den in eine supraleitende Schleife eingeschlossenen Bloch-Transistor. Bei diesem Ansatz sollen die beiden stationären Quantenzustände des Systems anhand der jeweiligen Josephson-Induktivität unterschieden werden.

Dazu wird die genannte Schleife induktiv an die Spule eines HF-Resonanzkreises gekoppelt. Aus der Verstimmung der Kreisresonanz kann dann auf die Josephson-Induktivität und damit auf den Quantenzustand geschlossen werden. Der Grad dieser Verstimmung, d.h. die Empfindlichkeit der Ausleseanordnung, hängt bei gegebenen Werten der Josephson-Induktivität wesentlich von der Kopplung zwischen Spule des Resonanzkreises und der supraleitenden Schleife sowie vom Gütefaktor des Kreises ab. Bei der Wahl geeigneter...

Zur Charakterisierung von nanostrukturierten magnetischen Datenspeichermedien wurde im Laufe der letzten fünf Jahre in der Arbeitsgruppe 2.52 ein Magnetkraftmikroskop aufgebaut. Diese Apparatur erlaubt es, Magnetfelder mit einer räumlichen Auflösung von besser als 20 nm. Die absolute Positionierbarkeit in der Ebene der Probe ist besser als 50 nm. Die ersten Messungen wurden an magnetischen Festplatten durchgeführt. In den Filmstrukturen konnten Domänen mit einer Ausdehnung von weniger als 50 nm sichtbar gemacht werden. In diesem Jahr wurden erstmals mit der Apparatur Messungen an quasi-punktförmigen Strukturen durchgeführt. Dabei handelte es sich um Kobalt-Nanoteilchen mit Durchmessern unter 10 nm. Die Magnetfeldbilder zeigen, dass sich einzelne magnetische Domänen, d.h. abgegrenzte Bereiche mit homogener Magnetisierung, mit Durchmessern von 20 nm bis 100 nm bilden. In einer weiteren Versuchsreihe wurden 30 nm bis 40 nm große...

Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen Elektronen einzeln und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen schmalen Halbleiterkanal geführt werden. Damit kann man die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim „Abzählen“ der Elektronen so gering zu halten, dass eine kleinere Unsicherheit als bei der „klassischen“ Darstellung des Ampere resultiert, wäre die SI-Basis-Einheit Ampere auf ein Quantennormal zurückgeführt.

Durch intensive Arbeit mehrerer Forschergruppen gab es bereits beachtliche Fortschritte in dieser Richtung. Ein neues Ergebnis, erzielt bei einer Kooperation der PTB mit dem britischen „National Physical Laboratory“ (NPL) und der Universität Cambridge, eröffnet die Perspektive, auch den restlichen Teil des schwierigen Weges zu einem neuen Quantennormal erfolgreich in Angriff nehmen zu können.

Bei den Untersuchungen...

Eine Reihe großer Leistungsprüffelder im In- und Ausland beabsichtigt in einer konzertierten Aktion, die Einheitlichkeit und Rückverfolgbarkeit ihrer Messungen von transienten Strömen bis zu einigen hundert Kiloampere zu gewährleisten. Im ersten Schritt werden drei Messsysteme aufgebaut, die von verschiedenen metrologischen Staatsinstituten kalibriert und von den beteiligten Leistungsprüffeldern in einem Ringvergleich eingemessen werden sollen. Zur Kalibrierung der von einem deutschen Prüffeld entwickelten Messeinrichtung mit niederohmigem Shunt ist die PTB vorgesehen. Als Vorbereitung für diese Aufgabe wurde in der PTB ein Messplatz für Stoßstrom bis zum derzeit maximal erzeugbaren Scheitelwert von 20 kA aufgebaut und hinsichtlich seiner Messunsicherheit untersucht. Die Normalmesseinrichtung besteht aus einer Messspule mit hochpermeablem Kern und einem Digitalrecorder, mit dem der Zeitverlauf des Stromes aufgezeichnet wird. Der Vorteil...

Einzel-Elektronen-Transistoren erlauben die Messung elektrischer Potentiale mit einer Empfindlichkeit, die die durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmte ultimative Grenze erreichen kann. Da sie mit weniger als 100 nm sehr klein sind, kann man sie als elektrisch wie auch räumlich hochauflösende Sonden einsetzen. Wir untersuchten damit Wirbelströme beim quantisierten Hall-Effekt, der bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern in zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES) eine präzise Rückführung des elektrischen Widerstands auf Naturkonstanten erlaubt. Wirbelströme entstehen bei Änderungen des Magnetfeldes, während die Detektion der Ströme mit der eigentlich „nur“ für Potentiale empfindlichen Sonde durch den Hall-Effekt ermöglicht wird, bei dem ein Stromfluss im Magnetfeld eine Potentialänderung zur Folge hat.

Im Rahmen eines DFG-Projekts und in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperphysik, Stuttgart, wurde...

Für den Transfer von Wechselgrößen (Wechselspannung, Wechselstromstärke, Wechselleistung) auf äquivalente Gleichgrößen werden in der PTB seit mehr als einem Jahrzehnt planare Vielfachthermokonverter bei Frequenzen von 10 Hz bis 1 MHz verwendet. 

Mit dem Ziel, planare Vielfachthermokonverter für Hochfrequenz zu entwickeln, wurden im Rahmen einer Dissertation verbesserte Modellrechnungen durch Computersimulation durchgeführt, bei denen die Einflüsse aller bekannten Parameter in der Thermokonverterstruktur auf den Frequenzgang der Transferdifferenz in Betracht gezogen wurden.

Die Modellrechnungen zeigten, dass der Frequenzgang der Transferdifferenz bei Verwendung von kristallinem Quarz als Substratmaterial wegen der kleineren Dielektrizitätszahl und der geringeren dielektrischen Verluste bis zu Frequenzen von 100 MHz um den Faktor 10 kleiner als bei den bisher verwendeten Thermokonvertern ist. Messungen an Quarz-Vielfachthermokonvertern...

Digitale Daten werden in der Nachrichtentechnik mit ständig steigender Geschwindigkeit übertragen. Dafür werden koaxiale Leitungssysteme der Hochfrequenz(HF)-Technik mit immer größerer Bandbreite benötigt. Eine wachsende Zahl von HF-Messgeräten und Systemen werden daher für das neue 2,9 mm-Koaxialleitersystem mit einer Bandbreite bis 40 GHz ausgerüstet. Um einem dringenden Bedarf der deutschen Industrie an breitbandiger Rückführung der HF-Leistung auf das nationale Normal zu entsprechen, wurde ein koaxiales Mikrokalorimeter in symmetrischer Zwillings-Bauart (Twin-T) mit zwei Zuführungsleitungen im 2,9 mm Koaxialleitersystem mit K-Konnektor aufgebaut, das nun die breitbandige HF-Leistungsmessung bis 40 GHz mit kleinstmöglicher Messunsicherheit gestattet. Dabei wird die im HF-Leistungstransfer-Normal absorbierte HF-Leistung durch eine äquivalente Gleichleistung substituiert und als charakteristische Kenngröße des Messkopfes der effektive...

Der seit Jahren zu beobachtende Trend in Richtung umfangreicherer und komplexerer integrierter Schaltkreise führt zu neuen Herausforderungen im Chipdesign, wobei insbesondere der Einfluss der Verbindungsstrukturen nicht vernachlässigt werden darf. Ein bisher nicht befriedigend gelöstes Problem stellt die Beschreibung der i.a. frequenzabhängigen Leitungseigenschaften mit geschlossenen analytischen Formeln dar, welche unmittelbar im Schaltungsentwurf verwendet werden können. Bei der Beschreibung der Leitungseigenschaften werden Admittanz- und Impedanzbeläge unterschieden, wobei letztere im Vergleich wesentlich schwieriger als Funktion der Querschnittsparameter zu formulieren sind. 

In einer Zusammenarbeit mit der Oregon State University, USA, ist es nun gelungen, für den besonders schwierigen Fall gekoppelter Zweileitersysteme mit asymmetrischem Leiterquerschnitt geschlossene Ausdrücke für die frequenzabhängigen Impedanzbeläge zu...

Zum Aufbau der Skale für den Wechselstrom-Gleichstromstärke Transfer für Stromstärken von 1 mA bis 20 A im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz werden planare Vielfachthermokonverter zusammen mit Wechselstrommesswiderständen (Shunts) verwendet. Unter Voraussetzung der Unabhängigkeit der Transferdifferenz von der Stromstärke werden beim Aufbau der Skale Normale für verschiedene Nenn-Stromstärken bei gleicher Stromstärke im gesamten Frequenzbereich miteinander verglichen. 

Bei der Reihenschaltung liegt ein Normal mit Gehäuse und Heizeranschluss auf hohem Potenzial und das andere an Erde, die angeschlossenen Nanovoltmeter bisher jedoch beide an Erde. Ströme über die eingezeichneten parasitären Kapazitäten zwischen Heizer und Thermoelementen führen deshalb zu kleinen unbekannten Messabweichungen. Darum wurde bisher eine zweite Messung mit vertauschten Positionen der Normale durchgeführt und der Mittelwert gebildet. Der bei...

Die Darstellung und Weitergabe der Induktivitätseinheit Henry im Wertebereich von 100 µH bis 100 H und im Frequenzbereich 50 Hz bis 1 MHz erfolgt in der PTB mit Hilfe einer Maxwell-Wien Messbrücke mit sehr geringer Messunsicherheit. Die Kalibrierungen in dieser Messbrücke sind aber sehr zeitaufwändig und deshalb mit hohen Kosten verbunden. Deshalb wird daran gearbeitet, nur die Normale der PTB in der Maxwell-Wien Brücke zu kalibrieren und die Normale der Industrie mit einem 1:1 Komparator anzuschließen. Wenn gleichzeitig Kalibrierungen für DKD-Kalibrierlaboratorien zu größeren Losen zusammengefasst werden, ergibt sich ein wesentlicher Rationalisierungseffekt, weil Kalibrierungen mit der Maxwell-Wien Brücke dann nur noch in großen Intervallen durchgeführt werden müssen.

In einem ersten Schritt im Hinblick auf den Einsatz von Komparatoren wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Gliwice in Polen ein Komparator entwickelt, mit dem im...