Wirtschaft

Programmierbare Josephson Spannungsnormale (PJVS) sind heute neben dem Impuls-getriebenen Spannungsnormal (JAWS) die wichtigste Säule der modernen Spannungs-Metrologie im Wechselspannungsbereich. Obwohl ihr Einsatzgebiet wegen der unvermeidlichen, Nanosekunden-schnellen Schalttransienten beim Übergang zwischen verschiedenen Josephson-Spannungsniveaus auf Frequenzen < 1 kHz beschränkt ist, erschließen zur Zeit nur sie den Spannungsbereich bis 10 V. Die bisher von der PTB hergestellten 10V-PJVS basieren auf einer Reihenschaltung von ca. 70 000 SINIS Josephson-Kontakten (S=Supraleiter, N=Normalmetall, I=Isolator). Deren Herstellung erfolgt jedoch mit sehr geringer Ausbeute. Hauptursache dafür sind Plasma-induzierte Schädigungen der beiden extrem dünnen (2 nm) AlO_x-Isolatoren, die zu singulär erhöhten kritischen Strömen und damit zum Ausfall von etwa 0,01% der Kontakte führen. Wesentlich stabiler und im Prozess unempfindlicher sind dagegen...

In enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Gölzhäuser an der Universität Bielefeld werden die elektrischen Transporteigenschaften organischer „Nanoblätter“ untersucht. Bisher konnte gezeigt werden, dass die zunächst nicht leitenden 1,5 nm dicken Schichten nach Tempern auf mehrere hundert Grad elektrisch leitfähig sind. Dabei steigt die Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 800 K bis 1200 K um sechs Größenordnungen. Ziel dieses Projektes ist es, die Ladungsträgerkonzentration und deren Beweglichkeit zu bestimmen, um einen detaillierten Einblick in die Physik der elektrischen Transportprozesse innerhalb dieser Graphen-ähnlichen Schichten zu bekommen.
Auf organischen Biphenylthiol–Molekülen basierende Nanoblätter stellen in der Nanotechnologie ein Paradebeispiel für die sogenannte Bottom–Up Synthese dar. In mehreren aufeinander folgenden, aber voneinander unabhängigen Schritten können ihre physikalischen Eigenschaften...

Im Rahmen der Erforschung der Kohärenzeigenschaften von supraleitenden Schaltungen für die Informationsverarbeitung werden an der PTB Ein-Cooper-Paar Transistoren (ECPT) untersucht. Für die Auslese solcher Schaltungen wird in einem Schwingkreis ihre effektive Induktivität und deren Abhängigkeit vom magnetischen Fluss ausgenutzt. Die Induktivität ist durch die flussabhängige Krümmung der Eigen-Energie des ECPT bestimmt, und sie hängt damit sowohl vom Energie-Eigenzustand als auch von der aufgebrachten Ladung ab. Derartige Strukturen eignen sich somit auch als Elektrometer, und sie können als solche womöglich Einzug in die Metrologie halten. Die erwähnte dispersive Auslese erlaubt dabei, Ladungssignale mit großer Bandbreite bei hoher Trägerfrequenz aufzulösen. Da das ECPT den supraleitenden Zustand hierbei nie verlässt, sind Probleme durch Wärmeentwicklung nicht zu erwarten, die von den ähnlichen Einzel-Elektron-Transistoren im Betrieb...

Im Bereich von 20 µT bis 2 mT wird die Einheit Tesla für die magnetische Flussdichte nach dem Prinzip der freien Präzession von Protonen im Magnetfeld (Nuclear Magnetic Resonance) weitergegeben. In dem hierzu benutzten Messplatz werden die Spins der Kerne von Wasserstoffatomen zunächst senkrecht zur Richtung des zu messenden Feldes polarisiert. Nach dem Abschalten des Polarisationsfeldes präzedieren die Spins in die Richtung des zu messenden Feldes zurück. Das resultierende abklingende Sinus-Signal (s. Bild 1a) wird mit Hilfe einer Induktionsspule gemessen und die Präzessionsfrequenz wird, mit Referenz zum PTB-Zeitnormal, mit hoher Präzision bestimmt. Die magnetische Feldstärke lässt sich aus der so gemessenen Frequenz und dem für Wasserstoff sehr genau bekannten gyromagnetischen Verhältnis berechnen.
Mit dem bisher zur Frequenzbestimmung eingesetzten Messverfahren konnte die Einheit Tesla mit einer relativen Messunsicherheit von 10^-5 we...

Die PTB hat eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, ultrakurze Spannungsimpulse mit Laserimpulsen der gleichen Wellenlänge im gleichen Material zu erzeugen und zu messen. Die Spannungsimpulse werden dabei durch Anregung von Urbach-Ausläufern unterhalb der Bandkante des Halbleitermaterials erzeugt und mittels des elektrooptischen Effekts des Halbleitermaterials detektiert. Die neue Technik vereinfacht bisherige Verfahren zur Erzeugung und Detektion ultrakurzer Spannungsimpulse deutlich.
Ultrakurze Spannungsimpulse werde heutzutage routinemäßig durch Anregung eines photoleitenden Schalters mit Femtosekunden-Laserimpulsen erzeugt. Die Laserimpulse haben dabei eine Photonenenergie, die über der Bandkante des Halbleitermaterials liegt, auf dem der photoleitende Schalter gefertigt wurde. Zum Nachweis der Spannungsimpulse werden am häufigsten optische Abtastverfahren mit externen elektrooptischen Probern verwendet. Allerdings sind...

Wenn die Partikelgröße eines ferromagnetischen Materials so klein wird, dass die Ausbildung von zwei Domänen infolge der dazwischen liegenden Wand zu energieaufwändig ist, erhält man Eindomänenpartikel. Diese lassen sich magnetisch als Punktdipole mit einem Makrospin beschreiben. In einem Ensemble kann die dipolare Wechselwirkung zu kollektiven Effekten führen. Im Fachbereich Halbleiterphysik und Magnetismus wurden zweidimensionale Anordnungen, d.h. dünne Schichten aus magnetischen Nanopartikeln (MNPs) untersucht. Dabei lag der Fokus auf der Fragestellung, welchen Einfluss externe Störfelder auf die magnetische Struktur der Schichten haben.
Numerische Simulationen zeigen, dass die Wechselwirkung in ungestörten Monolagenschichten dazu führt, dass die Filme eine Magnetisierung in der Filmebene und eine Domänenstruktur mit abgeschlossenem Flussmuster aufweisen. Multilagenfilme weisen ebenfalls eine Domänenstruktur auf, jedoch steht die...

Deutliche Fortschritte wurden in der PTB bei Experimenten mit Einzelelektronen-Schaltungen erzielt, welche auf die Realisierung eines Quantennormals für die elektrische Kapazität abzielen. Diese Schaltungen ermöglichen das Abzählen einzelner Elektronen und damit deren kontrollierten Transfer und Speicherung auf den Elektroden eines Kondensators. Das Zielexperiment, der "Electron Counting Capacitance Standard" (ECCS), erlaubt schließlich die Untersuchung fundamentaler Fragestellungen bezüglich des Verständnisses der Quanteneffekte, die in der elektrischen Metrologie eingesetzt werden. Dieses Verständnis wird eine wichtige Rolle bei der geplanten Neudefinition unseres Einheitensystems (SI) spielen.
Erst kürzlich war es in der PTB gelungen, den kontrollierten „Shuttle“-Transfer wohldefinierter kleiner Ladungspakete zwischen metallischen Elektroden zu demonstrieren. Jedes dieser Ladungspakete bestand dabei aus einer wohldefinierten Anzahl...

Im Jahr 2004 fanden Forscher an der Universität Manchester und an der Columbia Universität New York unabhängig voneinander eine Methode, aus Graphit einzelne Kohlenstoff-Atomlagen abzuspalten, sie auf eine Halbleiterelektrode zu übertragen und für elektrische Messungen zu nutzen. 
Das neue Material mit dem Namen Graphen (Betonung auf der letzten Silbe) weist aufgrund seiner Bandstruktur besondere Eigenschaften auf, die es sowohl für Grundlagenuntersuchungen als auch für praktische Anwendungen, z. B. extrem schnelle und kleine Transistoren, interessant erscheinen lassen. Besonders interessant ist es auch für die Metrologie, denn der Quanten-Hall-Effekt, mit dem ein elektrischer Widerstand extrem präzise realisiert werden kann, ist in diesem Material selbst bei Raumtemperatur beobachtbar.
Die PTB hat mit der Herstellung und Untersuchung des neuen Materials begonnen, um es auf seine Eignung für ein präzises Widerstandsnormal zu testen. Die...

Der AC-Quanten-Hall-Widerstand zeigt eine schon länger bekannte Frequenz- und Stromabhängigkeit, über deren Ursachen bisher nur Vermutungen aufgestellt wurden. Nun konnten zum ersten Mal drei verschiedene Verlustmechanismen identifiziert und eliminiert werden. Der dominierende Beitrag wird durch kapazitive Ströme im zweidimensionalen Elektronengas verursacht und kann mit Hilfe von Steuerelektroden eliminiert werden. Ein weiterer Beitrag wurde auf Relaxationsverluste einer Adsorbatschicht auf der Oberfläche der Quanten-Hall-Probe zurückgeführt. Diese Adsorbatschicht kann durch ausreichendes Evakuieren der Probenhalterung vor dem Einbau in das Kryo-Magnet-System beseitigt werden. Die verbleibenden AC-Verluste konnten auf Polarisationsverluste im GaAs-Substrat zurückgeführt und mit einer neuen Schirmungstechnik eliminiert werden. Damit wird der 
AC-Quanten-Hall-Widerstand innerhalb einer relativen Unsicherheit von weniger als 1x10^-8 unabhän...

Aufgrund des zunehmenden Bedarfs an freier Bandbreite wird in letzter Zeit vermehrt über kurzreichweitige Kommunikationssysteme bei Frequenzen von 300 GHz und darüber hinaus nachgedacht. In diesem so genannten Terahertz-Frequenzbereich ist es äußerst schwierig, genügend Sendeleistung zu erzeugen und zu übertragen. Er wird daher bislang kaum genutzt, auch nicht für Anwendungen außerhalb der Kommunikationstechnik. Geeignete Komponenten, um kompakte und damit marktfähige Kommunikationssysteme aufzubauen, existieren noch nicht, jedoch lässt der technologische Fortschritt bei neuartigen Halbleiterbauelementen und Integrationstechniken für planare Schaltungen erwarten, dass sich diese Situation mittelfristig ändert. Dann werden THz-Wellen für kurzreichweitige Kommunikationssysteme mit Datenraten im Gigabit-Bereich in Innenräumen Verwendung finden. 
Mit der Modellierung solcher Terahertz-Kommunikationssysteme und der Erforschung der...