13.11.2012
In einer Zusammenarbeit mit L. Callegaro vom INRIM, Italien, und M. Ortolano vom Politecnico di Torino wurde das thermische Spannungsrauschen von GaAs-basierten Quanten-Hall-Widerständen bei einer Temperatur von 1,5 K untersucht. Dazu wurden ein koaxialer Aufbau, ein Zwei-Kanal-Datenerfassungssystem und zwei besonders rauscharme Vorverstärker verwendet. Die gemessenen Rauschspektren sind weiß und in guter Übereinstimmung mit der Johnson-Nyquist-Gleichung. Diese Gleichung beschreibt ursprünglich das thermische Rauschen herkömmlicher Metallwiderstände, gilt gemäß theoretischer Überlegungen aber auch für den Quanten-Hall-Widerstand. Dies wurde nun experimentell bestätigt.
Darüber hinaus erlaubt das verwendete Zwei-Kanal-Messsystem simultane Rauschmessungen an verschiedenen Kontakten sowohl einer einfachen Quanten-Hall-Probe als auch an mehrfach verschalteten Quanten-Hall-Widerständen. M. Büttiker hatte Kreuz-Korrelationen vorhergesagt, die als Verallgemeinerung der Johnson-Nyquist-Gleichung betrachtet werden können. Weil nicht-triviale Asymmetrien nur bei wenigen physikalischen Systemen wie dem Quanten-Hall-Effekt auftreten, ist der Quanten-Hall-Effekt für solche Tests prädestiniert. Die durchgeführten Messungen haben dabei zum ersten Mal die Vorhersagen bestätigt. Die erreichte relative Unsicherheit von einigen Prozent (bei einer spektralen Dichte von etwa 1 nV2/Hz) ist moderat, könnte aber bei Bedarf durch zusätzliche Kalibriermessungen, wie sie in der Rauschthermometrie üblich sind, um mehr als eine Größenordnung verbessert werden.
Wenn man einen externen Strom durch die Quanten-Hall-Probe treibt, treten zusätzlich statistische und zum Teil dramatische Dissipations-Pulse mit charakteristischen Korrelationen auf. Zeitlich hochaufgelöste Messungen und Korrelationsspektren erlauben einen neuen Einblick in diese Vorgänge, die schon vor dem eigentlichen Zusammenbruch des Quanten-Hall-Effektes auftreten und als Blasen überhitzter Elektronen interpretiert werden, die mit hoher Geschwindigkeit durch das zwei-dimensionale Elektronengas driften.
Diese Ergebnisse zeigen das große Potenzial des verwendeten Messaufbaus. In der Zukunft sollen derartige Rauschmessungen auch an Graphen-Proben durchgeführt werden, weil deren Quanten-Hall-Effekt teilweise auf anderen physikalischen Grundlagen beruht und deshalb weitere interessante Einsichten erwartet lässt.
Ansprechpartner: J. Schurr
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie