Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Hochpräzises pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal für Ausgangsspannungen bis 1 V

26.11.2015

Die Ausgangsspannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals konnte durch die dreifache Stapelung von Josephson-Kontakten und durch die Serienschaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten auf einen Effektivwert von 1 V erhöht werden. In einem Präzisionsvergleich mit einem AC-Quantenvoltmeter konnte eine exzellente Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz von 250 Hz gezeigt werden.

 

Pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormale ermöglichen die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet. Wesentliche Komponente eines JAWS sind Reihenschaltungen aus SNS Josephson-Kontakten (S…Supraleiter, N…normalleitende Barriere), die im Reinraumzentrum der PTB basierend auf NbxSi1-x-Barrieren in einem komplexen Mehrlagen-Dünnschicht-Prozess hergestellt werden.

Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen können einzelne Schichten angepasster und wohldefinierter Dicke gefertigt werden, wodurch erstmals an der PTB dreifach gestapelte Josephson-Kontakte (d.h. vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten) erfolgreich mit hoher Fertigungsausbeute prozessiert werden konnten. Auf einem 10 mm x 10 mm Chip sind zwei Schaltungen mit jeweils bis zu 9000 Josephson-Kontakten integriert (siehe Bild). Durch Kombination von acht Schaltungen auf vier Chips konnten insgesamt 63 000 Josephson Kontakte in Serie geschaltet werden.

Bei der Erzeugung von Sinuswellen mit einer Ausgangsspannung von 1 V wird eine herausragende spektrale Reinheit (Signal-Rausch-Verhältnis besser als 120 dB) erreicht. Mit einem auf dem programmierbaren Spannungsnormal basierenden AC-Quantenvoltmeter wurde die Genauigkeit der erzeugten Sinuswellen überprüft. Weltweit erstmals wurde ein direkter Vergleich dieser unterschiedlichen Josephson-Spannungsnormale auf dem 1-V-Niveau über den Frequenzbereich von 30 Hz bis 1,5 kHz durchgeführt. Die Quantengenauigkeit des neuen pulsgetriebenen 1 V-JAWS-Systems konnte durch eine exzellente Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz von 250 Hz nachgewiesen werden.

Für die Zukunft eröffnen Effektivspannungen von 1 V eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten des JAWS im Bereich der elektrischen Wechselspannungsmetrologie. Die dargestellten Ergebnisse wurden bereits auf internationalen Konferenzen vorgestellt und in zwei Artikeln publiziert:

O. F. Kieler et al.: Towards a 1 V Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer. IEEE Trans. Appl. Supercond. 25(3), June 2015

R. Behr et al.: Direct comparison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter.Metrologia 52, June 2015

 

 

 

 

 

Bild 1: Rasterelektronen-Mikroskop-Aufnahmen einer JAWS-Schaltung mit einzelnen Details der Schaltung und Foto des auf einem speziellen Chip-Carrier kontaktierten JAWS-Chips.