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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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),...

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Der PTB ist es gelungen, mit rein optischen Verfahren ultrakurze Spannungsimpulse auf koplanaren Wellenleitungen zu erzeugen. Das besondere an diesem Verfahren besteht darin, dass keine externe Spannung an die Wellenleitung angelegt werden muss. Bisher konnte eine ähnliche Technik nur für in den freien Raum abgestrahlte Terahertzpulse angewandt werden. Die neuen Experimente sind wichtig, um Quellen von ultrakurzen Spannungsimpulsen und von Terahertzstrahlung besser verstehen und modellieren zu können. 
Die Erzeugung von ultrakurzen Spannungsimpulsen auf koplanaren Wellenleitungen ist sowohl für die Charakterisierung von Höchstfrequenzbauelementen, wie auch für spektroskopische Untersuchungen wichtig. Heutzutage werden ultrakurze Spannungsimpulse hauptsächlich in einem photoleitenden Schaltern erzeugt, der in eine koplanare Wellenleitung integriert ist und in dem optisch erzeugte Ladungsträger in einem von außen angelegten elektrischen...

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Zur Beantwortung dieser Frage betreibt die PTB seit Anfang 2008 einen Messplatz für leitungsgeführte Störungen. Die Untersuchungen stützen sich auf die Normen
DIN EN 62052 11, DIN EN 62053 11/21/22 und die DIN EN 50 470 Teil 1 und Teil 3.

Mit den Komponenten des Messplatzes, z.B. einer Komponente zur Erzeugung elektrostatischer Ladungen, lassen sich visuell die Einflüsse solcher Entladungen an der Zähleranzeige ablesen und mit dem ungestörten Wert vergleichen. Auch andere Störungen, wie z.B. Unterbrechungen oder Absenkungen der Versorgungsspannung, Simulation von induktiven Schaltvorgängen (Bursts), Blitzentladungen/Schalthandlungen im Versorgungsnetz (Surges) oder gedämpfte Schwingungen, erzeugt durch Schaltüberspannungen, können im Messplatz simuliert werden. Die Generatorsysteme sind dabei für ein- und mehrphasige Zähler abgestimmt. Ein Komparator vergleicht das Prüflingsergebnis mit einem unter gleichen Betriebsbedingungen...

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Quantenmechanische Zwei-Zustands-Systeme, so genannte Quanten-Bits (Qubits), können mit supraleitenden Schaltungen auf der Basis kleiner Josephsonkontakte realisiert werden. In der PTB wurden verschiedene Typen von Phasen-Qubits in Nb/AlOx/Nb Technologie hergestellt und in Kooperation mit der Universität Karlsruhe hinsichtlich ihrer Kohärenzeigenschaften bei mK-Temperaturen untersucht. Die ersten Proben, die mit der Standard-Herstellungstechnik unter Verwendung einer durch ein PECVD-Verfahren abgeschiedenen SiO2-Isolationsschicht gefertigt wurden, zeigten eine verhältnismäßig kurze Kohärenzzeit für Rabi-Oszillationen von nur etwa 5 ns. Als Hauptursache für die kurze Kohärenzzeit wurden Zwei-Niveau-Fluktuatoren in der Isolationsschicht identifiziert, die quantenmechanisch an das Qubit koppeln. Eine zweite Serie von Proben, bei der die SiO2-Schicht durch eine PECVD Si3N4-Schicht ersetzt wurde, zeigt eine signifikante Erhöhung der...

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Die bemerkenswerte Eigenschaft von Supraleiter-Ferromagnet-Supraleiter (SFS) Josephsonkontakten, die bei einer bestimmten Dicke der ferromagnetischen Schicht eine intrinsische Phasenverschiebung von π aufweisen [1], eröffnet viel versprechende Möglichkeiten zur Implementierung dieser Kontakte in Josephson-Qubits und Einzelflussquanten (SFQ)-Logikschaltungen. Mit der Verwendung von SFS-π-Kontakten kann in Phasenqubits eine wesentliche Erhöhung der Stabilität erreicht und in SFQ- Strukturen durch die Ersetzung großflächiger Speicherinduktivitäten ein besonders kompaktes Schaltungslayout erstellt werden. Darüber hinaus sagen Simulationsrechnungen von SFQ-Strukturen mit integrierten π-Phasenschieberelementen erweiterte Operationsbereiche voraus. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungen besteht in einem stark reduzierten Leistungsverbrauch.

Inzwischen liegen erste Messergebnisse von integrierten SFS/SFQ-Schaltungen vor, die in den Laboratorien...

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