05.12.2007
Einzelelektronen-Bauelemente basieren auf Schaltkreisen mit ultrakleinen elektrischen Tunnelkontakten. Sie ermöglichen einen kontrollierten Transfer von einzelnen Ladungsquanten in elektrischen Schaltungen sowie deren Detektion. Dies erlaubt die Untersuchung fundamentaler Fragestellungen in der Quantenmetrologie. An der PTB ist es nun gelungen, mit einer Einzelelektronen-Pumpe kleine "Ladungspakete" aus einer genau bestimmten Anzahl weniger Elektronen gezielt und präzise zwischen metallischen Elektroden hin- und her zu transferieren. Als Ladungsdetektor wurde ein Einzelelektronen-Transistor eingesetzt, der Ladungsänderungen von weniger als einem Elektron auflösen kann. Das erfolgreiche Experiment ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines neuen Kapazitätsnormals, bei dem ein Kondensator mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen geladen wird. Die entstehende Spannung kann mit Hilfe eines Josephson-Spannungsnormals gemessen werden. Die Rückführung der Kapazität auf einen Widerstand über den Quanten-Hall-Effekt erlaubt dann schließlich die Realisierung des so genannten "Quantenmetrologischen Dreiecks", welches die drei elektrischen Quanteneffekte verknüpft. Die angestrebte Präzision erfordert die hier demonstrierte Manipulation der Ladung auf der Skala eines einzelnen Elektrons.
Bild 1: Die Einzelelektronen-Pumpe in unserem Experiment (im Bild links oben) besteht aus einer Serienschaltung von fünf ultrakleinen metallischen Tunnelkontakten. Diese Tunnelkontakt-Kette ist rechts an eine metallische „Insel“elektrode mit einer kleinen Gesamtkapazität C∑= 20 fF angeschlossen.
Mit einer schnellen Folge von Spannungsimpulsen an den Gatterelektroden der Pumpe (V1-4, unten im Bild) wird innerhalb von 0,25 µs ein Elektron durch die Kette hindurch auf die Insel gepumpt. Das Überschusselektron bewirkt dort eine Potentialänderung von etwa 8 µV, die mit dem kapazitiv angekoppelten Einzelelektronen-Transistor (rechts im Bild) nachgewiesen wird. Nach einer Wartezeit tw wird das Überschusselektron durch Anlegen einer gegenläufigen Spannungssequenz wieder von der Insel entfernt.
Im demonstrierten „Shuttle“-Betrieb wird das aufeinander folgende Be- und Entladen der Insel mit einem oder mehreren Elektronen periodisch wiederholt. Im „Haltemodus“ werden die Gatterspannungen an der Einzelelektronen-Pumpe nicht moduliert. Im Idealfall bleibt der Ladungszustand der Insel dann konstant, da Tunnelprozesse durch den Coulomb-Blockade-Effekt unterdrückt sind.
Bild 2: Messungen des Ausgangssignals des Einzelelektronen-Transistors, konvertiert in das elektrische Potential der Insel.
Grafik (a) zeigt den zeitlichen Verlauf des Signals im „Haltemodus“ der Einzelelektronen-Pumpe: Abgesehen vom Eigenrauschen des Einzelelektronen-Detektors ist das Signal zeitweise über mehrere Sekunden konstant. Unerwünschte Tunnelprozesse von einzelnen Elektronen durch die Tunnelkontakt-Kette der Einzelelektronen-Pumpe bewirken sprunghafte und quantisierte Fluktuationen des Inselpotentials. Die Änderung der Inselladung um ein Elektron entspricht einer Spannungsänderung von 8 µV. Der mittlere Zeitabstand zwischen diesen unerwünschten „Fehlereignissen“ auf der Insel betrug hier 40 s.
Grafik (b) zeigt den zeitlichen Signalverlauf während des „Shuttle-Betriebs“, wobei Ladungspakete aus ein bis fünf Elektronen im Takt von tw = 1 s hin- und hergepumpt wurden. Die Kurven sind vertikal versetzt dargestellt. Man erkennt, dass die detektierten Potentialänderungen dem Sekundentakt des Be- und Entladens der Insel folgen, und dass die Signalamplitude der Anzahl der Überschusselektronen auf der Insel proportional entspricht.