Nachrichten aus dem Jahresbericht 2019

Die erste Generalversammlung des Europäischen Metrologienetzwerks zu Quantentechnologien (European Metrology Network Quantum Technologies, EMN-Q) fand am 15. Oktober 2019 in Berlin statt. Wesentliche Ziele des Netzwerks, an dem die PTB operativ und in leitender Funktion beteiligt ist, sind die Koordinierung metrologischer Aktivitäten in der Quantentechnologie und deren strategische Ausrichtung auf...

Die hohe Präzision elektrischer Gleichstrommesstechnik beruht auf der Rückführung der Messgrößen auf Quantennormale, die typischerweise in Nationalen Metrologieinstituten wie der PTB eingesetzt werden. Bei der Kalibrierung von Spannungsnormalen ist die Unsicherheit der Weitergabe limitiert durch das inhärente Rauschen der als Transfernormale genutzten Zener-Dioden, deren Funktion auf einem...

Für die Kalibrierung von Brückennormalen für die Dehnungsmessstreifen (DMS)-Messtechnik wurde in der PTB ein vollautomatisierter Messplatz fertiggestellt und für Kalibrierungen in Betrieb genommen. Der Messplatz basiert auf einem schrittmotorgesteuerten 8-dekadischen induktiven Spannungsteiler sowie einer Schrittmotorsteuerung für Brückennormale des Typs BN100 und weiteren per Rechner steuerbaren...

Für die effizientere Kalibrierung von Kapazitäten im Bereich von 10 pF bis 1 nF wurde in der PTB eine automatisierte zweipolige Messbrücke (Z2-Brücke) aufgebaut. Damit wird der für den Brückenabgleich benötigte Zeitaufwand deutlich reduziert, und die Übertragung der Kalibrierergebnisse in die Auftragsverwaltung erfolgt nun ohne fehleranfällige händische Eintragungen.

Der Bedarf an hohen Datenraten in der drahtlosen Kommunikation steigt rasant. Jenseits des derzeit diskutierten neuen Mobilfunkstandards der 5. Generation „5G“ werden Datenraten im Bereich von 100 Gbit/s jedoch nur realisierbar, wenn auch Bandbreite im unteren THz-Frequenzbereich verwendet wird. Hierfür sind neue Ansätze zur Datenübertragung erforderlich und eine Reihe technischer Hürden müssen...

Der Ausbau der Windenergie an Land ist für das Gelingen der Energiewende eine zentrale Säule. Ein wesentlicher Faktor für die Windenergienutzung ist die Flächenbereitstellung. Raumnutzungskonflikte werden zunehmend zum Hemmnis des Ausbaus. Im Fokus des neuen Projektes RIWER steht der Raumkonflikt zwischen Windenergieanlagen (WEA) und Wetterradaranlagen (WRA) des Deutschen Wetterdienstes (DWD).

In der PTB ist es weltweit erstmals gelungen messtechnisch aufzuzeigen, wie, in welchem Maße und unter welchen Bedingungen Windenergieanlagen Einfluss auf die Signalintegrität von Flug-Navigationsanlagen haben. Diese Erkenntnisse machen ein Prognosewerkzeug möglich, das bei hunderten im „Genehmigungsstau“ steckenden Bauanträgen für eine schnellere Entscheidung sorgen könnte.

Im Frequenzbereich zwischen 80 GHz und 110 GHz wurde erstmals ein Messvergleich zwischen der leitungsgebundenen Hochfrequenzleistungsmessung im Rechteckhohlleiter einerseits und der Leistungsmessung eines gaußverteilten Freistrahls andererseits durchgeführt. Dabei wurde basierend auf den Messunsicherheiten der jeweiligen Leistungsdetektion unter Berücksichtigung der Transmissionsunsicherheit des...

Das von der EU geförderte und von der PTB koordinierte EMPIR-Projekt PlanarCal ist nach einer Laufzeit von drei Jahren erfolgreich abgeschlossen worden. An dem aus 12 Partnern bestehenden Konsortium waren neben vier führenden europäischen Metrologieinstituten verschiedene europäische Universitäten und Forschungsinstitute sowie Messgerätehersteller und industrielle Anwender beteiligt.

Die PTB hat den Nachweis erbracht, dass sich auf kommerziellen Substraten gefertigte Kalibriernormale als Transferstandards für Multiline-Referenzkalibrierungen verwenden lassen. Damit wird für planare Streuparametermessungen erstmalig eine Anbindung an industrielle Anwendungen ermöglicht.

Das Ziel des neuen Arbeitskreises „PIM-Interest Group“ ist es, die größten Herausforderungen zur Vermessung von Passiver Intermodulation (PIM) zu erfassen und zu bewältigen und damit den Ausbau des Mobilfunks (5G) sowie die Entwicklung von Satelliten nachhaltig zu unterstützen. Der Arbeitskreis setzt sich zusammen aus Vertretern von Industrie und renommierten nationalen und internationalen...

Am 13. Mai 2019 fand in Ljubljana (Slowenien) der Start des durch EURAMET ins Leben gerufenen Europäischen Metrologienetzwerks „Smart Electricity Grids“ (EMN SEG) statt. Die PTB beteiligt sich an der operativen Arbeit und ist auch in den Leitungsgremien des Netzwerks vertreten. Kernziele des Netzwerks sind eine wirksamere Ermittlung des tatsächlichen metrologischen Forschungsbedarfs in der...

In der elektrischen Energieversorgung wird in den wichtigen Knotenpunkten des Übertragungsnetzes - den Hochspannungsstationen - zukünftig digitale Messtechnik eingesetzt. Die Sekundärsignale der eingesetzten Spannungs- und Stromwandler werden dabei digitalisiert und zeitgestempelt zu den ebenfalls digital arbeitenden Messgeräten übertragen. Hierzu wurde das europäische Metrologieforschungsprojekt...

Für die Erzeugung von sehr stabilen und sauberen Gleichspannungen über eine Million Volt wurde eine Erzeugungseinrichtung geschaffen, welche neue Kalibriermöglichkeiten für hochfrequente Wechselspannungen und Gleichspannungen über 1000 kV eröffnet.

Eichungen und Rückführungen von Messgeräten, die für Eichtätigkeiten verwendet werden, werden im gesetzlichen Messwesen auf der Basis von Verfahrensanweisungen durchgeführt. Diese Anweisungen werden von der Arbeitsgemeinschaft für Mess- und Eichwesen (AGME) erstellt und für Eichämter und staatlich anerkannte Prüfstellen zur Verfügung gestellt. Übergeordnetes Ziel ist es, eine deutschlandweit...

Das Mess- und Eichrecht sorgt in Deutschland dafür, dass beim Verkauf von Ladestrom abgerechnete Energiemengen richtig und für den Kunden nachvollziehbar gemessen werden. Als technische Maßnahme zur Erfüllung der eichrechtlichen Kundenschutzanforderungen setzen die Ladesäulenhersteller zunehmend sogenannte Public-Key-Signaturverfahren ein. Die Public-Keys werden jetzt mittels eines zwischen PTB...

Für KFZ-Schnellladesäulen fordert das deutsche Mess- und Eichrecht die genaue Messung der abgegebenen Gleichstromenergie. Die PTB hat Prüfverfahren entwickelt, um die bei der Energiemessung durchzuführenden herausfordernden Berechnungs- und Umschaltvorgänge bewerten zu können.

Die elektromagnetische Verträglichkeit zwischen am Stromnetz betriebenen Komponenten gewinnt zukünftig immer mehr an Bedeutung. Die PTB hat sich in einem Forschungsvorhaben mit weiteren Projektpartnern das Ziel gesetzt, ein Prüflastnormal zur rückgeführten Kalibrierung von Netzrückwirkungssystemen zu entwickeln und aufzubauen.

Elektrische Energie bzw. Arbeit ist ein wichtiges Wirtschaftsgut. Da die Messung der Energie als Grundlage für Abrechnungen verwendet wird, unterliegen die Messeinrichtungen sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Mit dem neu aufgebauten Prüfstand soll eine Möglichkeit geschaffen werden, elektronische Elektrizitätszähler auf ihre korrekte Arbeitsweise bei nicht-sinusförmigen Stromsignalen zu...

Im Reinraumzentrum der PTB wurden NanoSQUID-Schaltungen basierend auf Josephson-Kontakten der Schichtenfolge Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) hergestellt. Gegenüber mit alternativen Technologien gefertigten Josephson-Kontakten zeichnen sich diese durch ihre besseren Rauscheigenschaften aus. Die neuen NanoSQUID-Sensoren werden künftig im Fachbereich „Biosignale“ der PTB für den Aufbau eines...

Schaltungen für das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal (JAWS) der PTB wurden im Rahmen des EMPIR-Projektes QuADC am National Physical Laboratory (NPL, nationales Metrologieinstitut von UK) in ein innovatives JAWS-System der nächsten Generation integriert. Damit kann der JAWS-Chip quasi in Echtzeit jedes beliebig geformte Eingangssignal mit hoher spektraler Reinheit quantisieren.

Das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal der PTB ist so weit praxistauglich, dass es zu mehreren Metrologieinstituten transferiert werden konnte. Im Jahr 2019 wurden drei Systeme mit PTB-Unterstützung am VNIMM (Russland), am TÜBITAK (Türkei) und am BIRMM (China) erfolgreich in Betrieb genommen. Die pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormale der PTB sind somit bereits in neun Ländern im...

Mit einer neuentwickelten Mikrowellen-Tunnelkontaktschaltung ist es gelungen, die quantenelektrodynamischen Eigenschaften eines gekoppelten Systems bestehend aus einem Josephson-Oszillator und einem 80-GHz-Dünnschicht-Resonator sichtbar zu machen und auszumessen. Beobachtet wurden die sogenannten bekleideten Zustände des Systems, die sich im Bereich der Kreuzung der individuellen...

Seit mehr als 35 Jahren werden bei der Tagung Kryoelektronische Bauelemente neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Supraleitungselektronik und der Kryotechnik vorgestellt und diskutiert. In diesem Jahr hat der Fachbereich „Quantenelektronik“ der PTB diesen Workshop ausgerichtet.

Zur Optimierung des in der PTB vorhandenen pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals (JAWS) wurden breitbandige On-Chip-Leistungsteiler weiterentwickelt, die eine optimale Übertragung der elektrischen Anregungspulse in parallele JAWS-Schaltungen ermöglichen. Mit Hilfe des Leistungsteilers sollen die Ausgangsspannung des JAWS-Systems erhöht werden und die Anzahl von Hochfrequenzkabeln, die zur...

Die Elektronenstrahllithographie ist eine der Basistechnologien für die Fertigung von Quantennormalen in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB. Darüber hinaus gibt es aber auch bei anderen Fachabteilungen der PTB und an Instituten der TU Braunschweig Bedarf an der Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen, der durch die Elektronenstrahllithographie im PTB-Reinraumzentrum bedient werden kann.

Die Darstellung der Einheit der magnetischen Flussdichte Tesla erfolgt an der PTB über magnetische Kernresonanz an Wasserproben. Das Messignal gibt dabei den Mittelwert der Flussdichte über das gesamte Volumen der Proben wieder. Die räumliche Verteilung der Flussdichte über das Probenvolumen konnte nun erstmals ortsaufgelöst bestimmt werden.

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes der PTB mit der Firma Matesy GmbH (Jena, D) wurde ein auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt beruhendes System zur ortsaufgelösten Streufeldmessung rückgeführt kalibriert. Zudem wurden Simulationsalgorithmen entwickelt, die neben der schnellen Messung makroskopischer magnetischer Proben erstmals auch eine rückgeführte Charakterisierung mikroskaliger...

Für die Messung von räumlich auf Nanometerskala variierenden magnetischen Feldverteilungen standen bislang keine international akzeptierten Messverfahren zur Verfügung. Das von der PTB geleitete und kürzlich erfolgreich abgeschlossene europäische Forschungsprojekt NanoMag schließt diese Lücke und ermöglicht zukünftig international vergleichbare Messungen von Magnetfeldverteilungen mit hoher...

Quantenpunkte sind ein Grundbaustein für halbleiterbasierte Quantentechnologien. Sie ermöglichen es, einzelne Elektronen in Halbleiterstrukturen zu lokalisieren und zu kontrollieren. Für viele Anwendungen muss ein bestimmter quantenmechanischer Zustand der Elektronen möglichst schnell initialisiert werden. An der PTB wurde hierfür eine neue Technik entwickelt, die auf der Kontrolle der Tunnelraten...

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts SEQUOIA („Single-electron quantum optics for quantum-enhanced measurements“) wird in der PTB seit Mai 2018 an metrologischen Werkzeugen zur Charakterisierung des Quantenzustands einzelner Elektronen geforscht. Langfristiges Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung räumlich und zeitlich hochauflösender Sensorik für die Messung elektrischer und...

Durch Messungen auf mikroskopischer Skala konnte erstmals gezeigt werden, dass der elektrische Widerstand von auf Siliziumkarbid (SiC) gewachsenem Graphen erheblich von der Wechselwirkung mit der lokalen SiC-Kristallstruktur beeinflusst wird. Diese Ergebnisse ermöglichen zukünftig eine präzisere Kontrolle der Transporteigenschaften der atomar einlagigen Kohlenstoffschichten.

Am 20. und 21. März 2019 wurde in der PTB ein Workshop zum Thema "Ultrastable Low-Noise Current Amplifier (ULCA) in der Laborpraxis" durchgeführt. Der ULCA ist ein von der PTB entwickeltes und mittlerweile kommerziell verfügbares Instrument, welches die Messung und Erzeugung von kleinen Stromstärken mit höchster Genauigkeit ermöglicht.

Die Definition des Ampere, Einheit der elektrischen Stromstärke, basiert im jüngst revidierten Internationalen Einheitensystem (SI) auf einem festgelegten Wert für die Elementarladung e. Das Joint Research Project (JRP) „e-SI-Amp: quantum realisation of the SI ampere“ wurde im Rahmen des europäischen Metrologieforschungsprogramms EMPIR ins Leben gerufen, um entsprechende Methoden zur Erzeugung und...

Die beiden PTB-Abteilungen „Elektrizität“ und „Temperatur und Synchrotronstrahlung“ arbeiteten gemeinsam am Aufbau eines praktischen Rauschthermometers. Mit Hilfe pulsgetriebener Josephson-Arrays soll ein breitbandiges Spannungsrauschen zur Kalibrierung der Verstärker-Elektronik erzeugt werden. Zur Verifizierung der Genauigkeit dieser generierten Spannungen wurden zwei Josephson-Systeme in...

Immer mehr nationale Metrologie-Institute (NMI) verwenden programmierbare Josephson-Spannungsnormale (PJVS), um ihre quantenbasierten Spannungskalibrierdienste auf Wechselspannungen auszudehnen. Das Internationale Büro für Gewichte und Maße (BIPM) hat damit begonnen, das existierende Protokoll für Vor-Ort-Vergleiche im Gleichspannungsbereich so zu erweitern, dass zukünftig auch...