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Mikroampereströme durch Kontrolle einzelner Elektronen

12.11.2012

Im zukünftigen SI-System wird die Einheit der Stromstärke durch Festlegung des Wertes der Elementarladung definiert werden. Damit wird eine Einzelelektronenpumpe, die Elektronen im Takt einer präzisen Uhr, Elektron für Elektron, transportiert, zu einem Primärnormal der Stromstärke. An der PTB werden solche präzisen Stromquellen auf der Basis von Halbleiter-Nanostrukturen entwickelt und zu immer höherer Genauigkeit gebracht. Jedoch ist die Elektronenladung so klein, dass selbst bei einer relativ hohen Arbeitsfrequenz von einem Gigahertz ein Strom von nur 162 Pikoampere erzeugt wird.

Zur Erreichung höherer Stromstärken muss eine geeignete Skalierungstechnik verwendet werden. Hierfür bietet sich der in der Widerstandsmetrologie verwendete sogenannte kryogene Stromkomparator an. Dieser erlaubt, das Verhältnis zweier Ströme mit einer Unsicherheit von 1 ppb (part-per-billion – 10-9) einzustellen.

An der PTB wurde jetzt erstmals mit Hilfe eines solchen kryogenen Stromkomparators der Strom einer Einzelelektronenpumpe präzise auf eine Stromstärke von 0,865 Mikroampere skaliert (siehe Bild). Der ursprüngliche Einzelelektronenstrom wurde durch eine Einzelelektronenpumpe erzeugt, die mit einer Taktfrequenz von 1,2 Gigahertz betrieben wurde. Die Unsicherheit des so erzeugten Stroms wird in diesem Experiment noch durch die Unsicherheit der noch nicht optimierten Einzelelektronenpumpe von etwa 10 ppm (part-per-million – 10-6) dominiert.

Diese Skalierung eines Einzelelektronenstroms ist ein wichtiger Schritt hin zu einer direkten Darstellung der Stromstärke gemäß der neuen Definition des Ampere im zukünftigen SI. Die präzise Skalierung des Stroms ist aber auch ein wichtiger Schritt zum direkten Schluss des sogenannten quantenmetrologischen Dreiecks, dem wichtigsten Konsistenztest in der elektrischen Quantenmetrologie.

 

 

 

 

Bild: Kleines Bild: Der erzeugte Strom als Funktion der Kontrollspannung der Einzelelektronen-Stromquelle. Großes Bild: Abweichung des Ausgangsstroms in part-per-million (ppm) vom idealen Wert für den Transport eines Elektrons je Pumpzyklus, multipliziert mit dem Verstärkerverhältnis von 4501 des Komparators. Die Linie zeigt eine theoretische Modellierung des Stroms.

 

 

 

Ansprechpartner: Frank Hohls
Fachbereich 2.5:  Halbleiterphysik und Magnetismus