28.11.2016
Die in der PTB entwickelten Einzelelektronenpumpen ermöglichen den kontrollierten Transport einzelner Elektronen, die sich in situ detektieren lassen. Diese Form der Einzelladungsdetektion gelingt nun auch erstmals in einem äußeren Magnetfeld, das für die Präzision der Einzelelektronenquellen eine wichtige Rolle spielt.
Die PTB entwickelt im Rahmen eines Leuchtturmprojekts einen Quantenstandard für das Ampere, die Einheit der elektrischen Stromstärke. Basiselement dieses Quantenstandards ist eine Einzelelektronenpumpe, die mit hoher Präzision exakt ein Elektron pro Taktzyklus transferiert und somit einen Strom produziert, der nur von der Taktfrequenz und der Elementarladung abhängt. Werden mehrere dieser Einzelladungspumpen in Serie geschaltet, lassen sich durch die Messung der zwischen den Pumpen gespeicherten Ladung Transferfehler mit Einzelelektronenauflösung detektieren.
Die Präzision der Einzelelektronenpumpen wird durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds entscheidend verbessert. Die Sensitivität der auf supraleitendenden Einzelelektronentransistoren basierenden Ladungsdetektion wird dabei jedoch stark reduziert, da durch das Magnetfeld die supraleitenden Eigenschaften aufgehoben werden. Demgegenüber zeigen halbleitende Einzelelektronentransistoren in hohen Magnetfeldern eine verbesserte Sensitivität. Sie ermöglichen somit eine präzisere Bestimmung der Transferstatistik, die durch erste Messungen demonstriert wurde (siehe Abbildung).
Die Möglichkeit, Transferfehler in vorgegebener Messzeit durch das Zählen diskreter Ladungsänderungen zu erfassen, ist durch die Detektionselektronik limitiert. Bei der in der Abbildung gezeigten Messung ist die Detektionselektronik trotz des bereits veränderten Detektors noch immer vergleichsweise langsam, was die in einem angemessenen Zeitraum erreichbare Messempfindlichkeit begrenzt. Es existiert bereits eine schnellere Ausleseelektronik in Form eines wiederum supraleitenden Radiofrequenz-Reflexionsmessaufbaus, an deren Transfer hin zu einer gegenüber dem Magnetfeld unempfindlichen, schnellen Ausleseelektronik momentan gearbeitet wird.
Abbildung: Wahrscheinlichkeit für den Transfer von keinem (blau), einem (rot) oder zwei (grün) Elektronen. Im mittleren Bereich des roten Plateaus pumpt die Einzelelektronenpumpe genau ein Elektron pro Pumpzyklus.