09.12.2011
Ein für die elektrische Quantenmetrologie fundamental wichtiges Experiment ist das sogenannte „quantenelektrische Dreieck“, welches die Überprüfung der Stimmigkeit des Verständnisses von Josephson- und Quanten-Hall-Effekt - der beiden in der elektrischen Metrologie verwendeten genauesten und wichtigsten Quanteneffekte - ermöglicht. Diese Konsistenzprüfung kann mit Hilfe des ECCS-Experiments durchgeführt werden, bei dem die Elektroden eines besonderen Kondensators mit einer genau bestimmten Anzahl von Elektronen geladen werden. Das Laden geschieht mit Hilfe einer „Einzelelektronenpumpe“ - einer speziellen, in der PTB entwickelten und hergestellten elektronischen Nanoschaltung, die bei Temperaturen von wenigen tausendstel Kelvin betrieben wird und den kontrollierten Transport von einzelnen Elektronen ermöglicht.
Bild 1:
Funktionsprinzip des “Electron Counting Capacitance Standard“-Experiments. Ein Kondensator der Kapazität C, messbar über den Quanten-Hall-Effekt, wird mittels einer Einzelelektronenpumpe - hier dargestellt als Förderband - mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen geladen. Die Ladung ΔQ baut eine Spannung ΔU zwischen den Kondensatorelektroden auf, welche mit Hilfe des Josephson-Effekts gemessen wird.
Vor einigen Jahren war die Durchführung des ECCS-Experiments erstmalig (und bislang weltweit alleinig) am NIST, dem nationalen metrologischen Institut der USA geglückt. Die damals erzielte relative Unsicherheit betrug etwa ein Teil in einer Million.
In der PTB ist nach Verbesserungen der eingesetzten Einzelelektronenpumpe die Realisierung dieses Experiments nun ebenfalls gelungen: In ersten Testläufen wurde dabei bereits eine vielversprechend geringe Unsicherheit von weniger als zwei Teilen in einer Million erreicht [1]. Gegenwärtig wird an der Umsetzung von weiteren Verbesserungen gearbeitet, die eine Steigerung der Genauigkeit des Experiments um etwa eine weitere Größenordnung ermöglichen sollen. Das Potential des in der PTB realisierten Versuchsaufbaus lässt erwarten, dass nach Abschluss dieser Optimierung eine Unsicherheit von wenigen Teilen in zehn Millionen erreicht werden kann - dies wäre damit etwa dreimal genauer als das Ergebnis des damaligen, inzwischen eingestellten NIST-Experiments. Gelingt die Durchführung des ECCS-Experiments mit dieser gesteigerten Genauigkeit, so erlaubt es wichtige Aussagen über möglicherweise nötige Korrekturen für die physikalischen Konstanten, die mit den elektrischen Quanteneffekten verknüpft sind. Insbesondere liefert es dann neue Eingangsgleichungen für die vom internationalen CODATA-Gremium regelmäßig durchgeführten Analysen, mit deren Hilfe die Werte von Fundamentalkonstanten und anderen wichtigen physikalischen Größen bestimmt werden.
[1] B. Camarota, H. Scherer, M. W. Keller, S. V. Lotkhov, G.-D. Willenberg, and F. J. Ahlers, Electron Counting Capacitance Standard with an improved five-junction R-pump, angenommen zur Publikation in Metrologia (2011)
Ansprechpartner: H. Scherer
Fachbereich 2.6 : Elektrische Quantenmetrologie