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Serienschaltungen von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen – Stabilisierung durch Rückkopplung

09.12.2011

Die angestrebte Neudefinition des Ampere, der Einheit der Stromstärke, auf Basis der Festlegung der Elektronenladung e erfordert den genau kontrollierten Transport einzelner Elektronen mit hoher Taktrate. Halbleiter-Einzelelektronenpumpen sind hierfür ein vielversprechender Kandidat: Sie erlauben den Transfer einzelner Elektronen im GHz-Rhythmus bei theoretisch erwarteten Transportfehlern im Bereich 10-8. Für die praktische Realisierung des neuen Ampere ist es aber nötig, solche Fehler, die meist im Auslassen eines Elektrons bestehen, genau zu bestimmen. Dies ist im Prinzip mit einer sogenannten selbst-referenzierten Stromquelle möglich. Dafür werden mehrere Einzelelektronenpumpen mit geringem Abstand hintereinander geschaltet und zeitgleich betrieben. Verliert dann eine der Pumpen in einem Pumptakt ein Elektron, verändert sich die Ladung im Bereich zwischen den Pumpen, und der Transportfehler kann über einen Ladungsdetektor gemessen werden.

Der erste Schritt zu solch einer selbst-referenzierten Stromquelle wurde nun getan: Eine Serienschaltung von zwei Halbleiter-Einzelelektronenpumpen wurde mit einem Ladungsdetektor verbunden, der die Ladung im Bereich zwischen den Pumpen messen kann (siehe Bild). Mit dieser Schaltung konnte zudem auch eine wichtige Frage für zukünftige Quantenschaltungen untersucht werden: Wie lässt sich der synchrone Einzelelektronentransport einer Serienschaltung vieler Pumpen stabilisieren? Hier zeigte sich eine überraschend einfache Antwort: Das System ist durch einen Rückkopplungseffekt selbst-stabilisiert.

Laufen zwei in Serie geschaltete Pumpen nicht exakt synchron, so lädt sich der Bereich zwischen den Pumpen elektrisch auf. Diese zusätzliche Ladung verändert nun die Pumpeffizienz der Pumpe, die aus diesem Bereich die Elektronen abpumpt. Ist die Aufladung zum Beispiel negativ, so werden die überschüssigen Elektronen nun so lange effizienter aus diesem Bereich entfernt bis die überschüssige Ladung wieder verschwunden ist. Die in Serie geschalteten Pumpen synchronisieren sich somit quasi von selbst. Dies stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen stabilen Quanten-Stromstandard dar.

 

 

Bild:
Schema (a) und Bild der Probe (b): Zwei Halbleiter-Einzelelektronenpumpen (P1 und P2), realisiert durch Metallelektroden (rot, grün) auf einem Halbleiterkanal (hellgrau), sind durch eine zwei Mikrometer große Insel verbunden. Unter der Insel ist ein Ladungsdetektor (Det) platziert, der die Ladung Q auf der Insel misst.

 

 

 

Ansprechpartner: F. Hohls
Fachbereich 2.5 : Halbleiterphysik und Magnetismus