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Elektrische Quantenmetrologie

Die Realisierung der Widerstandseinheit Ohm erfolgt unter Nutzung des Quanten-Hall-Effekts in Halbleitern. Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung ist die Nutzbarmachung neuer Materialien, mit denen der Quanten-Hall-Effekt unter vereinfachten Bedingungen (höhere Temperaturen, niedrigere Magnetfelder) zum Einsatz gebracht werden kann, sowie die Entwicklung von industrietauglichen Messbrücken für die Widerstandsmetrologie.

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Grundlage für die quantenbasierte Darstellung der Spannungseinheit Volt ist der Josephson-Effekt in Supraleitern. Integrierte Schaltungen aus Zehntausenden von Josephson-Elementen erlauben die „quantengenaue“ Erzeugung von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen mit Amplituden bis 10 Volt. Mit hochfrequenten Pulssequenzen getriebene Josephson-Elemente erlauben die präzise Synthese von Wechselspannungen mit beliebigen Wellenformen bei höheren Frequenzen.

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Im seit dem 20. Mai 2019 gültigen revidierten Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Stromstärkeeinheit Ampere über den Wert der Elementarladung e definiert. Für die direkte Realisierung dieser Definition treibt man einzelne Elektronen durch einen Quantenpunkt, der in einem extrem schmalen leitfähigen Kanal mit Hilfe von Steuerelektroden definiert wird. In der PTB werden solche als Einzelelektronen-Pumpen bezeichnete Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien entwickelt. Einzelelektronen-Pumpen liefern einen wichtigen Beitrag zur Darstellung der SI-Basiseinheit Ampere, bieten Potenzial für die Entwicklung einer schrotrauschfreien Elektronik und ermöglichen fundamentale Konsistenztests der elektrischen Quantenmetrologie.

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