Forschungsnachrichten der Abteilung 2

Fortschritte in der Quantenelektronik ermöglichen signifikante Verbesserungen für höchstempfindliche Messungen und in der Quanteninformations­verarbeitung. In nanostrukturierten Schaltungen können einzelne ballistische Elektronen kontrolliert auf sich kreuzenden Signalleitungen geführt werden, um so deren Wechselwirkung für die Steuerung der Laufpfade nutzen zu können. 

Im kürzlich gestarteten Projekt „TruePA“ (Truly Resilient Quantum Limited Traveling Wave Parametric Amplifiers) entwickeln Forschende der PTB zusammen mit sieben europäischen Partnern die nächste Generation von parametrischen Verstärkern, kurz TWPAs. Wegen ihres extrem niedrigen Rauschens sind sie von Bedeutung für die Detektion schwacher elektromagnetischer Signale bei Mikrowellenfrequenzen von...

Der Ausbau der Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität in Deutschland ist im vollen Gange. Dabei werden zurzeit im Alltagseinsatz sowohl Ladesäulen eingesetzt, die den Anforderungen des Eichrechts entsprechen, als auch solche, die dies (noch) nicht tun. Das Landesamt für Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg hat zusammen mit der PTB Stichprobenuntersuchungen zur Messrichtigkeit von...

Um die metrologische Äquivalenz nationaler Normale im Rahmen des CIPM Mutual Recognition Arrangement zu unterstützen, wurde 2015 ein Messvergleich für Hochfrequenzleistung (HF-Leistung) in Rechteckhohlleitern vereinbart und zwischen Mai 2019 und Dezember 2021 durchgeführt. Der Messvergleich mit der Bezeichnung CCEM.RF-K27.W hatte acht Teilnehmer, wurde von NIM (China) mit Unterstützung von NPL...

Die im Jahr 2019 eingerichtete Forschergruppe „Metrology for THz Communications“ – kurz „Meteracom“ – der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wird um drei weitere Jahre verlängert. In der zweiten Phase widmet sich das gemeinschaftliche Forschungsprojekt neuen Messverfahren, die bei Terahertz-Kommunikationssystemen zum Einsatz kommen sollen.

Durch eine Funktionserweiterung der digitalen Auftrags­verwaltung, die im Fachbereich „Gleichstrom und Niederfrequenz“ in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB zur Durchführung von Kalibrier­dienstleistungen eingesetzt wird, ist es nun möglich, digitale Kalibrierzertifikate (DCC) vollautomatisch zu erzeugen. Dies wurde zunächst für die Messgrößen Temperatur und Luftfeuchte implementiert, für die...

Eine Charakterisierung des neuen CERN-Digitalisierers wurde mit dem programmierbaren 10-V-Josephson-Spannungsnormal der PTB durchgeführt. Der neue Digitalisierer wurde entwickelt, um die höheren Leistungs-anforderungen für die Stromversorgung der supraleitenden Magnete im High Luminosity Large Hadron Collider des CERN zu erfüllen. Durch die Bereitstellung praktisch rauschfreier...

Programmierbare Josephson-Spannungsnormale sind etablierte elektrische Quantennormale bestehend aus Serienschaltungen (Arrays) von einigen Tausend Josephson-Kontakten, mit denen nationale Metrologieinstitute die Einheit der elektrischen Spannung, das Volt, bis hinauf zu Spannungen von etwa 10 V realisieren. Nun ist der PTB gelungen, durch eine Reihenschaltung von vier Arrays mit je 20 V weltweit...

In der Abteilung „Elektrizität“ der PTB in Braunschweig wird eine neue kompakte Kapazitätsmessbrücke basierend auf programmierbaren 1 V-Josephson-Arrays aufgebaut, mit der quantenbasiert Eins-zu-eins-Verhältnisse von 10-pF Kondensatoren bei etwa 1 kHz Messfrequenz bestimmt werden sollen, wie sie in der dielektrischen Gaskonstanten-Thermometrie benötigt werden. 

Die PTB hat einen digitalen Generator entwickelt, der sinusförmige Wechselspannungen mit diskreten Frequenzen im kHz-Bereich mit besonders hoher Präzision und Stabilität erzeugt. Der Generator ist eine wesentliche Komponente für die präzise Darstellung der Kapazitätseinheit „Farad“ mit dem Quanten-Hall-Widerstand.

Die unübertroffen geringe Messunsicherheit, die mit Hilfe von Kryo­strom­komparatoren in der Widerstandsmetrologie erreicht wird, legt die Verwendung dieses Messmittels in der Widerstands­thermometrie nahe. Eine in Kooperation der PTB-Abteilungen „Elektrizität“ und „Temperatur und Synchrotron­strahlung“ entwickelte kommerzielle Kryostrom­komparator-Messbrücke wurde erfolgreich im Fach­bereich...

Für die zukünftige Darstellung und Weitergabe der Widerstandseinheit Ohm wurden in der PTB Graphen-basierte und GaAs-basierte Quanten-Hall (QH)-Widerstände aus eigener Produktion auf höchstem Präzisionsniveau indirekt unter Nutzung eines konventionellen Referenzwiderstands gegeneinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Universalität des Quanten-Hallwiderstandes in den Materialsystemen...

Nanoskalige magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, gelten als mögliche Kandidaten für zukünftige Magnetspeicher. In der PTB konnte nun die lokale Erzeugung und Vernichtung von Skyrmionen mittels Laserstrahlung nachgewiesen werden, was perspektivisch das kontrollierte Schreiben und Löschen der Skyrmionen zur Datenspeicherung ermöglicht.

Für die Realisierung der elektrischen Widerstandseinheit „Ohm“ mittels des Quanten-Hall-Effekts werden zurzeit meist noch Galliumarsenid- Widerstandsnormale genutzt, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Mithilfe ultraschneller optoelektronischer Experimente gelang es nun, Übergänge zwischen den Quanten-Hall-Niveaus in einem Volumenhalbleiter bei Raumtemperatur zu detektieren.

Quantenwiderstandsnormale aus Graphen erlauben die präzise Darstellung der Widerstandseinheit Ohm unter vereinfachten Messbedingungen bezüglich Temperatur und Magnetfeld gegenüber konventionellen GaAs-basierten Widerstandsnormalen. Um eine präzise Quantisierung auch bei kleinen Magnetfeldern zu erreichen, muss die Elektronendichte im Graphen präzise eingestellt werden. Der PTB ist die...

Eine ideale Einzelelektronen-Stromquelle erzeugt bei Taktung mit der Frequenz f eine Stromstärke von genau -e·f, wobei e die Elementarladung (negative Ladung des Elektrons) ist. Bei derartigen Stromquellen, die seit einigen Jahren an der PTB untersucht werden, wurden bereits sehr gute Genauigkeiten nachgewiesen, allerdings bisher nur bei Betrieb in hohen Magnetfeldern. Durch einen neuen...

Auf Basis einer kürzlich veröffentlichten internationalen Norm zur Kalibrierung von Magnetkraft­mikro­skopie­messungen können nanoskalige magnetische Streu­feldverteilungen erstmals quantitativ vermessen werden. An der PTB wurde dafür nun ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Mess­unsicherheiten entwickelt, das erstmals auch Korrelationen berücksichtigt.

Im Rahmen des EMPIR Projektes 19ENG06 HEFMAG wurde ein Messplatz zur Charakterisierung von Ummagnetisierungsprozessen in kornorientierten Elektroblechen aufgebaut. Zum Einsatz kommen dabei magneto-optische Indikatorfilme (MOIF), die die Oberflächenmagnetisierung bei periodischer elektrischer Anregung unverzögert darstellen und damit wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung der Verlustmesstechnik für...

In der PTB wurde ein Aufbau zur optoelektronischen Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen demonstriert. Dieser Aufbau verwendet komplett optische Glasfasern zur Strahlführung ohne jegliche Freistrahlpropagation. Solche Methoden könnten sich als wichtig für zukünftige Quantentechnologie-Anwendungen erweisen.

In der PTB wurde ein Aufbau zur optoelektronischen Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen demonstriert. Dieser Aufbau verwendet komplett optische Glasfasern zur Strahlführung ohne jegliche Freistrahlpropagation. Solche Methoden könnten sich als wichtig für zukünftige Quantentechnologie-Anwendungen erweisen.

Supraleitende Wanderwellenverstärker (engl. Traveling-Wave Parametric Amplifier, TWPA) sind neuartige Verstärker für den unteren GHz-Frequenzbereich, die sich vor allem durch ihr extrem niedriges Rauschen auszeichnen. Eine Herausforderung bei der Realisierung solcher Verstärker ist die Synchronisierung der Phasengeschwindigkeit von Signal- und Pump-Welle. Die PTB hat hierfür ein vielversprechendes...

Die intrinsische Nichtlinearität der Induktivität von Josephson Kontakten ist die Basis für eine Reihe von parametrischen Effekten, die unter anderem Methoden der Frequenzmischung ermöglichen. Unter Nutzung von Schaltungen mit sogenannten RF‑SQUIDS konnten in der PTB Experimente mit kontrollierter Drei-Wellen-Mischung bei Frequenzen von etwa 4 GHz durchgeführt und entsprechende parametrische...

Im Rahmen einer Kooperation unterstützt die PTB die Firma Supracon AG bei der Kommerzialisierung von quantengenauen Arbiträrwellengeneratoren, sogenannten Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers (JAWS). Supracon ist somit die weltweite erste Firma, die JAWS-Systeme anbietet.

Miniaturisierte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) mit Josephson-Kontakten, die Abmessungen im Submikrometer-Bereich aufweisen, bieten extrem hohe räumliche Auflösung und Spinempfindlichkeit sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Durch die immer stärkere Miniaturisierung der Abmessungen wird es jedoch zunehmend schwieriger, den magnetischen Fluss im...

Miniaturisierte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) mit Josephson-Kontakten, die Abmessungen im Submikrometer-Bereich aufweisen, bieten extrem hohe räumliche Auflösung und Spinempfindlichkeit sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Durch die immer stärkere Miniaturisierung der Abmessungen wird es jedoch zunehmend schwieriger, den magnetischen Fluss im...

Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale basierend auf dem Prinzip des Josephson-Arbitrary Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglichen die quantengenaue Erzeugung beliebiger Wellenformen mit einer extrem hohen spektralen Reinheit. Bisher wurden an der PTB JAWS-Schaltungen nur mit Signalfrequenzen im unteren MHz-Frequenzbereich realisiert. Für neue Anwendungen im Mikrowellenbereich wurden jetzt...

Mit der sogenannten Flip-Chip-Technologie können verschiedene Chips, die entweder auf Halbleiter- oder Supraleiter-Schaltungstechnik basieren können, direkt miteinander kontaktiert werden. Des Weiteren ist eine Verbindung zu optischen Bauteilen möglich. Um den Anwendungsbereich von Supraleitungsschaltungen an der PTB zu erweitern wurden verschiedene technologische Prozesse, die essentiell für das...

In den letzten Jahren gab es viele technische Fortschritte bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern. Insbesondere hat die Verbreitung von SiC- und GaN-basierten Halbleitern für industrielle Leistungsanwendungen deutlich zugenommen. Durch diese Technologien ist es möglich, immer kürzere Schaltzeiten für leistungselektronische Anwendungen zu realisieren.

Die Notwendigkeit des Aufbaus einer geeigneten messtechnischen Rückführung für Messgrößen nichtsinusförmiger Strom- und Spannungssignale ergibt sich aus zunehmend häufigen Anfragen aus Industrie und aus dem gesetzlichen Messwesen. Hierbei handelt es sich meist um die Klärung von Unstimmigkeiten, die bei entsprechenden Messungen unter Nutzung verschiedener Messgeräte auftreten.

Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes leitet die PTB ein Arbeitspaket zur Entwicklung von messtechnischen Lösungen bei ultrahohen Gleichspannungen. Im Sommer 2022 wurde ein internationaler Vergleichstest zwischen dem schwedischen nationalen Metrologieinstitut RISE und der PTB mit neuen Spannungsteilern durchgeführt. Diese Komponenten sind Grundlage für zukünftige Kalibrier- und...

Die PTB hat koplanare Wellenleiter mit Rückseitenmetallisierung untersucht und empirische Formeln zur Beschreibung parasitärer Probe-Effekte entwickelt. Die empirischen Formeln wurden durch elektromagnetische 3D-Vollwellensimulationen validiert und mit Messungen bis 110 GHz überprüft.

Die PTB arbeitet kontinuierlich daran, dimensionelle Messungen für die Rückführung von Hochfrequenznormalen (HF-Normalen) zu verbessern. Hierfür werden sowohl die vorhandenen Messaufbauten optimiert als auch die Messbereiche erweitert.

Der zeitaufwändige Abgleich einer in der PTB zur Kalibrierung von Kapäzitätsnormalen verwendeten Messbrücke konnte durch den Einsatz rechnergesteuerter induktiver Spannungsteiler und neu entwickelter Software bei unverändert niedriger Messunsicherheit deutlich beschleunigt werden.

Für den zur hochgenauen Widerstandskalibrierung in der PTB eingesetzten Kryo­stromkomparator (CCC) wurde ein störunempfindlicher Mess­stellen­umschalter mit hervorragender elektrischer Isolation entwickelt, durch dessen Einsatz zukünftig die vollautomatische Kalibrierung mehrerer Widerstände nacheinander durchgeführt werden kann.

Im Rahmen des Projekts „5G-Reallabor Braunschweig-Wolfsburg“ erforschen Industrie und Wissenschaft Anwendungsfälle der 5G-Technologie in der Region. Der neue Mobilfunkstandard 5G gilt als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Durch die Echtzeitfähigkeit, die Sicherstellung der Datenübertragung und die erhöhte Bandbreite nimmt 5G eine wichtige Rolle in der Technologiefolge ein. Die PTB als...

Zukünftige elektrische Verteilungs- und Übertragungsnetze benötigen echtzeitfähige Steuerungs- und Überwachungssysteme, um die Stabilität der Versorgungsnetze zu gewährleisten. In der erforderlichen Messtechnik werden dafür zukünftig digitale abtast- oder „Sampled Value“ (SV)-basierte Methoden eingesetzt, wobei die zugehörigen Hochspannungssensoren und Messsysteme zeitlich hochgenau synchronisiert...

Ein Quantencomputer auf Basis supraleitender Schaltkreise hat einen großen Vorteil gegenüber anderen Quantencomputer-Konzepten: Seine Quantenbits (Qubits) ermöglichen eine signifikante Hochskalierung und sind relativ robust gegenüber äußeren Störungen. Daher setzt das jetzt gestartete bundesweite Verbundprojekt ‚QSolid‘ auf diese Technologie. Innerhalb der nächsten fünf Jahre will es einen...

Auf dem Antennenfreifeld der PTB wurden die abschließenden Untersuchungen an der Radarantenne für die ESA-Mission JUICE durchgeführt, mit der die Eisschichten der Jupiter-Monde vermessen werden sollen. Für die genauen Messungen der Impedanz, also des inneren Widerstandes der Antenne, nutzte die Firma SpaceTech im Auftrag von Airbus für die ESA das europaweit einzigartige Antennenfreifeld der PTB.

Die Autoren Rolf Judaschke, Mathias Kehrt, Karsten Kuhlmann und Andreas Steiger erhalten für die Veröffentlichung der Ergebnisse ihrer zweijährigen Zusammenarbeit zum Thema „Linking the Power Scales of Free-Space and Waveguide-Based Electromagnetic Waves“ den „Andy Chi Best Paper Award“. Diese renommierte Auszeichnung prämiert die beste Arbeit, die im jeweils vergangenen Jahr in den „IEEE...

Eine Million öffentlicher Ladepunkte für Elektroautos sollen nach Planung der Bundesregierung bis 2030 in Deutschland zur Verfügung stehen. Doch während an herkömmlichen Tankstellen die korrekte Messung und Abrechnung des getankten Treibstoffs selbstverständlich und verlässlich ist, ist eine entsprechende Messtechnik vor allem für schnelle Strom-Ladesäulen noch neu und wird ständig weiter...