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Selbstreferenzierte Quantenstromquelle für die SI Basiseinheit Ampere

26.11.2014

Im neuen internationalen Einheitensystem (SI) soll die Definition der Stromstärkeeinheit Ampere durch Festlegung des Wertes der Elektronenladung e erfolgen. Um ein Primärnormal der neudefinierten Basiseinheit zu realisieren, kann man den Fluss einzelner Elektronen durch einen Halbleiterquantenpunkt zeitlich takten. Man spricht dann von einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe, die Elektronen im regelmäßigen Takt einer präzisen Uhr Elektron für Elektron transportiert. Allerdings sind auch solche Pumpen nicht vor Fehlern gefeit: Ab und an kann mal ein Elektron verloren gehen und der Elektronenstrom gerät aus dem Takt. An der PTB ist es nun erstmals gelungen, solche auftretenden Pumpfehler während des Pumpbetriebs in-situ nachzuweisen und zu protokollieren. So konnte die genaue Anzahl der tatsächlich transferierten Elektronen  pro Taktzyklus – und damit der elektrische Strom in Einheiten der Elementarladung e – präzise angegeben werden.

Die in der PTB entwickelte selbstreferenzierte Quantenstromquelle (Bild) basiert auf drei Einzelelektronenpumpen, die über zwei dazwischenliegende leitende Inseln in Reihe geschaltet sind. Werden die drei Pumpen gleichzeitig im Takt betrieben, bleibt die elektrische Ladung auf den dazwischenliegenden Inseln gleich. Tritt aber zum Beispiel bei der ersten Pumpe ein Fehler auf und während eines Pumptaktes wird kein Elektron transferiert, so reduziert sich die Ladung auf der ersten Insel um genau eine Elementarladung e. Bereits diese winzige Ladungsänderung kann mit an die Inseln angekoppelten Einzelladungsdetektoren zuverlässig nachgewiesen werden. Eine systematische Analyse der Ladungsänderung auf allen Inseln während des Pumpbetriebs erlaubt Rückschlüsse auf die aufgetretenen Fehler und damit eine präzise Korrektur des erzeugten Einzelelektronenstroms. Aktuell arbeitet die Quantenstromquelle noch bei niedrigen Pumpfrequenzen und erzeugt kleine Ströme von nur einigen Attoampere. Zukünftig sollen durch Erhöhung der  Pumpfrequenz und der Detektorbandbreite auch deutlich höhere quantisierte Ströme zuverlässig erzeugt werden.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Zudem wurde den beteiligten Wissenschaftlern für diese Arbeiten der Hermann-von-Helmholtz-Preis für Metrologie 2014 verliehen.

Siehe auch:
- L. Fricke et al.: A self-referenced single-electron quantized-current source. Physical Review Letters 112, 226803 (2014)

-  http://www.helmholtz-fonds.de/helmholtzpreistraeger.html

 

 

 

Bild 1: Elektronenmikroskopie-Aufnahme einer selbstreferenzierten Quantenstromquelle. Drei Einzelelektronenpumpen (A) sind in Serie mit einem Halbleiterdraht (B) verbunden. Mit den beiden Einzelelektronendetektoren (C) kann während des Pumpbetriebs überprüft werden, wie viele Elektronen tatsächlich gepumpt worden sind.

 

 

 

 

Ansprechpartner: L. Fricke
Fachbereich 2.5:
 Halbleiterphysik und Magnetismus