Durchbruch: erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzielt
Pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt für die Erzeugung beliebiger Wellenformen höchster Güte
Pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormale ermöglichen die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) bezeichnet. Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Josephson-Kontakte, wie sie im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Dünnschichtprozess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet, deren mittlere, sehr dünne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt. Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen können Schichten wohldefinierter Dicke gefertigt werden. Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten – d. h. vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in JAWSSchaltungen (also vier Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten. Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schaltungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt. Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragende spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhältnis besser als 120 dB).
Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch PTBNews 2013/2) diente dazu, die Genauigkeit der so erzeugten Sinuswellen zu überprüfen. Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unterschiedlicher Josephson-Spannungsnormale bei 1 Volt über den Frequenzbereich von 30 Hz bis 1,5 kHz durchgeführt. Die „Quantengenauigkeit“ des neuen pulsgetriebenen 1 Volt-JAWS-Systems ließ sich mit einer exzellenten Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen. Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eröffnet für die Zukunft eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten des JAWS im Bereich der elektrischen Wechselspannungsmetrologie, zum Beispiel für die Kalibrierung von Messgeräten, Analog-Digital- bzw. Digital- Analog-Umsetzern, AC-DC-Normalen, Spannungsteilern oder Impedanznormalen.
Ansprechpartner
Oliver Kieler
Fachbereich 2.4 Quantenelektronik
(0531) 592-1623
oliver.kieler(at)ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
R. Behr, O. Kieler, J. Lee, S. Bauer, L. Palafox, J. Kohlmann: Direct comparison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter. Metrologia 52, 528–537 (2015)
doi:10.1088/0026-1394/52/4/528