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Internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet des AC-Quanten-Hall-Effektes

31.12.2003

Der elektrische Widerstand wird seit 1990 mit hoher Präzision über den Quanten-Hall-Effekt reproduziert. Es besteht ein Interesse, die Messungen auch mit Wechselstrom (AC) durchzuführen und so Wechselstrom-Widerstände und Kondensatoren zu kalibrieren. Die mit AC gemessenen quantisierten Widerstands-Plateaus sind jedoch nicht so flach wie bei Gleichstrommessungen und es gibt Diskrepanzen bezüglich der Frequenzabhängigkeit zwischen verschiedenen Staatsinstituten. Es ist unklar, ob dies auf den Quanten-Hall-Widerstand oder auf die verwendeten Messbrücken und Referenzwiderstände zurückzuführen ist. Die Instituten, die dieses Gebiet bearbeiten, haben ein detailliertes Verständnis verschiedener Teilaspekte erarbeitet, dennoch wurde bislang kein Durchbruch erreicht.

Das NRC Kanadas, das METAS der Schweiz und die PTB haben daher eine trilaterale Zusammenarbeit vereinbart und im Herbst 2002 und 2003 für insgesamt 12 Wochen im NRC- und im METAS-Labor gemeinsame intensive Untersuchungen durchgeführt, die im kommenden Jahr in der PTB fortgesetzt werden. Schon bisher zeigten sich deutlich die Unterschiede in der jeweiligen Messtechnik, jedes Institut konnte aber auch von den Teilkenntnissen der anderen Partner profitieren. Es wurden neue Erkenntnisse und Fortschritte möglich, die keiner der Partner allein erreicht hätte.

Im einzelnen konnte, neben einer Analyse der Unterschiede verschiedener Messbrücken und der speziellen Anforderungen an die Messung des AC-Quanten-Hall-Widerstandes, auch ein bisher dem Quanten-Hall-Widerstand zugeschriebener Frequenzgang auf die Referenzwiderstände zurückgeführt werden. Es gelang, zwei weitere wesentliche Einflüsse auf die Plateauform nachzuweisen. Wir fanden außerdem, dass der AC-Längswiderstand einer Quanten-Hall-Probe als wichtige Kenngröße ähnlich wie beim DC-Effekt genutzt werden könnte. Wenn sichergestellt wird, dass er in einem bestimmten Magnetfeldintervall hinreichend klein ist, wird der AC Quanten-Hall-Widerstand frequenzunabhängig. Sollte dies an weiteren Proben bestätigt werden, könnte eine künftige Richtlinie für zuverlässige AC-Quanten-Hall-Messungen etabliert werden, die sich nicht wesentlich von den allgemein akzeptierten DC-Richtlinien unterscheidet.