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Kapazitätsnormal auf SET-Basis

31.12.2003

Lädt man einen Kondensator mit einer bekannten Zahl von n Elektronen und misst die Spannung U = (n e)/über dem Kondensator (Kapazität C, Elementarladung e) mit Hilfe eines Josephson-Spannungsnormals, hat man ein Quantennormal für die elektrische Kapazität. Zudem eröffnet dieses Experiment einen Weg zur Realisierung des Dreiecks der elektrischen Quantennormale.

Wir arbeiten an der Implementierung eines solches Experiments unter Einsatz von Einzelladungs-(SET) Schaltungen, die in metallischer Dünnschichttechnologie mit sehr kleinen Elementen im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. Sie bestehen aus einer SET-Pumpe, die einzelne Elektronen „abgezählt“ auf den Kondensator transferiert, und einem SET-Elektrometer, das die gespeicherten Elektronen verlustlos nachweist.

Die Arbeiten im letzten Jahr umfassten den Aufbau und die Inbetriebnahme des Mischungskryostaten, den Aufbau der Messelektronik, die Herstellung von SET-Schaltungen sowie erste Tests, in denen die Eignung des aufgebauten Messsystems nachgewiesen wurde. Untersuchungen an SET-Pumpen und -Elektrometern zeigten gute Eigenschaften im Hinblick auf die störende Drift von Hintergrundladungen: In unseren Proben erwiesen sich die Hintergrundladungen über relativ lange Zeiträume von mehr als 10 Stunden als stabil. Ferner wurde die Funktionalität der SET-Pumpen im Pumpregime verifiziert: Bei Ansteuerung mit einer Wechselspannung der Frequenz f im MHz-Bereich arbeitet die SET-Pumpe als Stromquelle und liefert einen Strom I, der im Idealfall gemäß I = e·f quantisiert ist, was in der Strom-Spannungs-Kennlinie zu einem Plateau führt. Die Minimierung der Pumpfehlerrate sowie der Elektrometerempfindlichkeit sind Ziel weiterer Arbeiten.


Stabilitätsdiagramm einer SET-Pumpe mit drei Tunnelkontakten. Die Leitfähigkeit der Pumpe ist gegen Steuerspannungen UG1 und UG2 aufgetragen. Die Regelmäßigkeit des typischen „Honigwabenmusters“ über die Messzeit von etwa 10 h verdeutlicht die Stabilität der Schaltung. Umkreisen UG1 und UG2 einen Punkt hoher Leitfähigkeit, wird bei jedem Umlauf genau ein Elektron durch die Schaltung gepumpt. In der Strom-Spannungs-Kennlinie im oberen Teil tritt dann ein Plateau auf.