28.11.2016
Die PTB hat ihren Weltrekord aus dem Vorjahr übertroffen, bei dem elektrische Ströme aus Einzelelektronen-Pumpen mit einem speziellen Messverstärker mit höchster Genauigkeit gemessen wurden. Die neue Bestmarke von 0,16 µA/A relativer Unsicherheit wurde durch Verbesserungen des experimentellen Aufbaus erreicht. Zudem wurde das Ergebnis in einer deutlich verkürzten Messzeit erzielt.
Nanostrukturierte elektrische Schaltungen, die den kontrollierten Transport einzelner Elektronen ermöglichen – sogenannte "Einzelelektronen-Pumpen" – können zur Realisierung eines zukünftigen Quanten-Stromnormals eingesetzt werden und sind daher Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten in der PTB.
Diese Schaltungen erzeugen elektrische Stromstärken in der Größenordnung von 100 pA, die mit einem eigens zu diesem Zweck in der PTB entwickelten Strom-Spannungswandler, dem Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA) mit höchster Genauigkeit gemessen werden.
Das damit bereits im Vorjahr erzielte Weltrekord-Messergebnis konnte in einem neuen Experiment bezüglich der Messunsicherheit nochmals verbessert werden. Dies gelang durch einen weiterentwickelten zweikanaligen Messaufbau, in dem ein Quantennormal (ein sogenanntes "Josephson-Spannungsnormal") direkt zur Messung der Ausgangsspannungen beider ULCA-Kanäle eingesetzt wurde (s. Bild), was den Einfluss der systematischen Messunsicherheit des zuvor genutzten Voltmeters deutlich reduziert. Zudem wurde die Effektivität der Messzeitausnutzung durch Optimierung der rechnergesteuerten Datenakquisition signifikant erhöht.
Die neue Rekordmarke von 0,16 µA/A Messunsicherheit der Stromstärke I ≈ 96 pA wurde in nur 21 Stunden Messzeit erreicht. Zum Vergleich: Für den zuvor aufgestellten Rekord von 0,2 µA/A wurde eine Gesamtmesszeit von 95 Stunden (4 Tagen) benötigt. In beiden Fällen stimmte die von der Einzelelektronen-Pumpe erzeugte Stromstärke mit dem erwarteten quantisierten Wert im Rahmen der Messunsicherheiten überein.
Das neue Rekordergebnis repräsentiert einen weiteren Meilenstein auf dem Weg zum angestrebten Ziel, der Realisierung eines Einzelelektronen-Stromnormals mit einer Unsicherheit besser als 0,1 µA/A. Zudem ermöglichen es die experimentellen Verbesserungen, Einzelelektronen-Pumpen nun in deutlich kürzerer Zeit zu charakterisieren – ein bedeutender praktischer Vorteil für den metrologischen Einsatz.
Bild: Schematische Darstellung des Messaufbaus. Zwei Stromverstärker ("ULCA A" und "ULCA B"), werden in den Zuleitungen zur Einzelelektronen-Pumpe ("SET-Pumpe") als Strom-Spannungswandler eingesetzt. In Kombination mit einem programmierbaren Josephson-Spannungsnormal misst das Voltmeter die Differenz der Ausgangsspannungen UA und UB beider Stromverstärker. Die von der Atomuhr der PTB abgeleitete Normalfrequenz von 10 MHz bestimmt die korrekte Taktung aller Komponenten.