Nachrichten aus dem Jahresbericht 2012

Einzelelektronenpumpen ermöglichen die Erzeugung eines Stromes durch kontrollierten Einfang und Transport einzelner Elektronen. Der PTB gelang es nun erstmals, die Einfangstatistik einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe durch Nachweis einzelner Elektronen mit einer speziellen Detektorschaltung zu überprüfen.

Isolationsschichten für Elektroden zur Steuerung der Ladungsträgerdichte in Graphen wurden mit einem vereinfachten Verfahren hergestellt.

Erstmals wurde der quantisierte Hall-Widerstand mit einer metrologisch relevanten Präzision an Graphenfilmen gemessen, die auf ein Wirtssubstrat transferiert wurden. Zuvor war dies nur mit Graphen gelungen, das direkt auf SiC aufgewachsen worden war.

Eine neu entwickelte Messbrücke mit programmierbaren Josephson-Schaltungen erlaubt nun auch die Kalibrierung beliebiger Impedanzverhältnisse über eine große Bandbreite mit hoher Präzision und innerhalb kurzer Messzeit.

Die Kombination zweier Josephson-Synthesizer erlaubt die Synthese von spektral reinen Wellenformen mit Amplituden größer als 1 V.

Die vor einigen Jahren an der PTB entwickelte Doppelschirmung von Quanten-Hall-Proben erlaubt die Realisierung eines hochpräzisen Impedanz-Quantennormals. Das japanische Metrologieinstitut NMIJ hat diese Idee aufgriffen und eine neuartige „on-chip“-Schirmung entwickelt, die gemeinsam mit der PTB getestet wurde.

Simultane Messungen des thermischen Rauschens an verschiedenen Kontaktpaaren einer Quanten-Hall-Probe haben erstmalig den Nachweis von Korrelationen erlaubt, die als Erweiterung der klassischen Johnson-Nyquist-Beziehung verstanden werden können. Darüber hinaus zeigen Rauschmessungen mit externem Strom pulsartige Dissipationsausbrüche, die einen neuen Einblick in den Zusammenbruch des...

Die optisch induzierte Kohärenz in Halbleitern hat einen starken Einfluss auf die Erzeugung von Photoströmen. Folgt die Kohärenz nicht unmittelbar einem gepulsten elektrischen Anregungsfeld, treten unter bestimmten Anregungsbedingungen neuartige Photoströme auf.

Unter Verwendung laserbasierter, optoelektronischer Methoden wurde die Abstrahlcharakteristik (Frequenz, Phase und relative Amplitude) von Hochfrequenzantennen in einem sehr weiten Frequenzbereich räumlich aufgelöst gemessen.

Mittels laserbasierter optoelektronischer Messtechnik wurde ein Ultrabreitband-Spannungsimpulsstandard auf einer koplanaren Wellenleitung realisiert.

In magnetischen Tunnelstrukturen wurden magnetisch schaltbare thermoelektrische Ströme und Spannungen nachgewiesen.

Halbleiterbasierte Einzelelektronenpumpen ermöglichen die Erzeugung eines elektrischen Stroms durch kontrollierten Transport einzelner Elektronen. Allerdings sind die so erzeugten Stromstärken sehr klein. Durch Verbindung mit einer präzisen Gleichstromskalierung konnte nun an der PTB erstmals eine Stromstärke von nahezu einem Mikroampere basierend auf der Kontrolle einzelner Elektronen erzeugt...

Die Stromverteilung in Josephson-Kontakten mit Nb_xSi_1-x -Barriere wurde untersucht, indem die Abhängigkeit der kritischen Stromstärke vom angelegten Magnetfeld gemessen wurde. Die Kontakte zeigen eine hohe Qualität mit homogener Stromverteilung.

Eine Supraleiter (Al) - Normalleiter (AuPd) Einzelelektronenfalle wurde hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellen-
einstrahlung im Frequenzbereich um 50 GHz untersucht. Durch Absorption einzelner Mikrowellen-Photonen, die von einem benachbarten Einzelladungstransistor erzeugt werden, kommt es zu Anregungen, die einzelnen Elektronen das Entweichen aus der Falle ermöglichen. Dieses...

In einem direkten Vergleich zweier Sinus-Wellenformen aus pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS)  wurde eine relative Übereinstimmung von (1,6 ± 2,9) × 10^-8 gefunden. Die sehr gute Übereinstimmung demonstriert die ausgezeichnete Quantisierung der Spannungen der Josephson-Schaltungen.

Die weltweit ersten voll funktionsfähigen 20-Volt-Spannungsnormal-Schaltungen mit ca. 140 000 Josephsonkontakten für den Einsatz bei 70 GHz wurden durch die PTB hergestellt und charakterisiert. Ein direkter On-Chip Vergleich zwischen den beiden 10 V Hälften der binär unterteilten Serienschaltung bestätigte die metrologische Eignung der 20-Volt Schaltungen für dc und ac Anwendungen.

Im Rahmen des von der EU geförderten Gemeinschaftsprojekts „Metrology for Smart Electrical Grids“, an dem mehrere europäische metrologische Institute und Universitäten beteiligt sind, befasst sich die PTB mit dem Aufbau einer auf nationale Normale rückführbaren Messmöglichkeit zur Bestimmung des Frequenzgangs von Stromwandlern nach Betrag und Phase.

Die Spannungsverläufe in Hochspannungs-Gleichstromübertragungsnetzen (HGÜ-Netze) weisen Welligkeiten auf, die die Energiemessungen beeinträchtigen können. Die 2011 vorgestellten Messeinrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Welligkeitsparametern der Spannungen in HGÜ-Netzen wurden weiterentwickelt.

Als Ergebnis theoretischer und messtechnischer Untersuchungen wurden Verfahren adaptiver Filterung entwickelt, mit denen bei abgetasteten Spannungssignalen der Einfluss des Rauschens auf die Messunsicherheit verringert werden kann.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnologie der TU Braunschweig und Industriepartnern wurden planare Kalibriernormale entwickelt und gefertigt, die Übergänge von hochresistivem Silizium zu einem in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiter beinhalten. Die planaren Kalibriernormale zeigten im Bereich bis 110 GHz deutlich bessere breitbandige Eigenschaften als auf...

Zur Rückführung der Kapazitätseinheit Farad auf den Wechselstrom-Quanten-Hall-Widerstand nutzt man eine Quadraturbrücke, die bei einer festen, präzise bekannten Frequenz betrieben werden muss. Dafür wurde ein spezieller Generator entwickelt, dessen rein sinusförmige Ausgangsspannung ohne Verwendung von Regelschleifen direkt aus einer von Atomuhren gelieferten 10-MHz-Normalfrequenz abgeleitet wird....

Im Rahmen des Programms „MNPQ - Messen, Normen, Prüfen und Qualitätssicherung“ ist ein Technologietransferprojekt zur Etablierung von quantenbasierten Wechselspannungsnormalen in der Industrie erfolgreich gestartet.

Prozessbegleitende und schnelle Charakterisierungstechniken für magnetische Dünnschichten sind u.a. wichtig bei der Entwicklung und Produktion magnetischer Sensoren. An der PTB wurde ein induktiver Messkopf entwickelt, der die nicht-invasive Charakterisierung der dynamischen und statischen Eigenschaften magnetischer Schichten erstmals an kompletten Wafern ermöglicht.

In Zusammenarbeit mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA ist ein neues Verfahren zur Charakterisierung von Übergängen zwischen Wellenleitern verschiedener Bauart entwickelt worden. Das Verfahren wurde erstmalig zur Charakterisierung von Mikrowellenprüfspitzen eingesetzt, die einen Übergang zwischen Hohlleitern im WR-8-Band (90-140 GHz) und koplanaren Wellenleitern...

Das aus der Fachliteratur bekannte und in der Messpraxis gängige TE_0np Modenanpassungs-Verfahren im Split-Zylinder-Resonator wurde erweitert, sodass nun auch allgemeine TE_mnp-, TM_mnp- sowie Hybrid-Moden im Frequenzspektrum erfasst werden können.

Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Hohlleitermikrokalorimeters für den Frequenzbereich 50 – 75 GHz komplettiert die PTB ihr Leistungsangebot für die rückgeführte Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren bis 110 GHz.

Es wurde eine neuartige Messmethode zur Leistungs- und Effektivwertmessung von Signalen mit beliebigen zeitlichen Verläufen entwickelt sowie ein Prototyp eines Messgerätes aufgebaut und erprobt.

Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten eines zweikanaligen Hochgeschwindigkeits-Digitalisierers

Es wurde eine automatisierte Kapazitätsmeßbrücke für die Kalibrierung von großen Kapazitäten in einem weiten Frequenzbereich entwickelt.

Durch Ausnutzung des vollen Dynamikbereichs der Mehrfachthermokonverter für den AC-DC-Transfer wurde die Anzahl der Skalierungsstufen verringert.

Das an der PTB entwickelte dynamische Brückennormal schafft die Voraussetzung zur dynamischen Kalibrierung von Messverstärkern, die für eine Vielzahl industrieller Messanwendungen von dynamischen mechanischen Größen (z.B. Kraft, Drehmoment oder Druck) eingesetzt werden.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurde gemeinsam mit der FH Ostfalia Braunschweig-Wolfenbüttel ein Oktokopter-Sensor zur Messung elektromagnetischer Felder im freien Raum bzw. für Messungen an großen, fest installierten Antennenanlagen (wie z.B. Instrumentenlandesystemen) aufgebaut. Der neu entwickelte 3D-Sensor kann die elektrische Hochfrequenz-Feldstärke bei 110 MHz skalar erfassen. Nach der...

Auf nationaler wie auch auf europäischer Ebene erfolgt die Umgestaltung der Energieversorgungsnetze hin zu zukunftsfähigen Ver-
sorgungsinfrastrukturen durch Staat und Organe der wirtschaftlichen Selbstverwaltung Hand in Hand. Wie bei der Version 1.0 hat sich die PTB auch an der Ausarbeitung der Version 2.0 der Deutschen Normungsroadmap E-Energy/Smart Grid beteiligt, die die „Deutsche Kommission...

Gemeinsam mit einem Flugvermessungsunternehmen wurde ein Messsystem zur absoluten Feldstärkemessung von terrestrischen Navigationsanlagen der Flugsicherung entwickelt. Das Ziel der Entwicklung war ein neues und vollkommen unabhängiges Verfahren zur Feldstärkemessung im freien Raum. Dieses dient dazu,  die regelmäßig mit Messflugzeugen durchgeführten Flugvermessungen an Verkehrsflughäfen zu...

Im Rahmen des vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) geförderten Projekts „Einfluss hochfrequenter Felder des Mobilfunks auf das blutbildende System in vitro“ untersucht die PTB zusammen mit dem Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Würzburg die Auswirkungen der Exposition von Blutzellen durch hochfrequente Felder.

Im Rahmen des EMRP Projektes „Energy Harvesting“ wurde ein Messplatz aufgebaut, mit dem sich auf einfachem Wege die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie der Seebeck-Koeffizient von thermoelektrischen Materialien bestimmen lassen.

Zum 1. Mai 2012 wurde das Joint Research Project (JRP) SIB07 Qu-Ampere „Quantum ampere: Realisation of the new SI ampere“ gestartet, das im Call 2011 „SI Broader Scope I“ des European Metrology Research Programme (EMRP) erfolgreich beantragt worden war. Der PTB-Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“ koordiniert dieses Projekt mit dreijähriger Laufzeit und einem Gesamtbudget von knapp drei...

Im Juni 2012 ist der Startschuss für das Joint Research Project „Microwave and terahertz metrology for homeland security  (THz Security)“ gefallen, in dem die PTB zusammen mit fünf weiteren nationalen Metrologieinstituten und weiteren Partnern aus Industrie, Forschungsinstituten und Universitäten an der Rückführung von Messgrößen für neuartige THz-Systeme arbeitet, die vorwiegend in der...