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Entwicklung von Präzisionsmessaufbauten für Stromstärken im pA-Bereich

19.11.2018

Für die Validierung kleinster Stromstärken im Bereich von 100 pA wurde ein neuer Messaufbau realisiert. Neben der Verwendung eines speziellen ultrastabilen Stromverstärkers wurde dafür auch eine neue rauscharme Signalführung entwickelt.

 

 

 

Die PTB untersucht Einzelelektronenpumpen im Hinblick auf ihre Nutzung als zukünftigem Quantenstandard nach der Neudefinition der SI-Einheit Ampere. Derartige Einzelelektronenpumpen sind präzise Stromquellen, die Stromstärken in einem Bereich von 100 pA erzeugen können. Die aufgrund der physikalischen Fehlerprozesse zu erwartende Fehlerrate der aktuellen Pumpengeneration liegt dabei deutlich unterhalb der Auflösungsgrenze der besten bislang verfügbaren Messinstrumente. Die präzise Messung derart kleiner Stromstärken mit geringer Unsicherheit stellt daher besondere Herausforderungen an Stabilität und Rauscheigenschaften des verwendeten Messaufbaus, da das Messsignal für das Erreichen geringer Unsicherheiten über einen langen Zeitraum gemittelt werden muss: Je größer die Stabilität und je kleiner das Rauschen des Messaufbaus, desto präziser kann der Strom bestimmt werden.

Um das zu erreichen wurde nun eine neue Variante eines an der PTB entwickelten ultrastabilen Stromverstärkers entwickelt, der ein besonders geringes Rauschen aufweist. Dieser Verstärker wurde in einen Messaufbau mit einem Entmischungskryostaten integriert, in dem die Einzelelektronenpumpen bei niedrigen Temperaturen von einigen hundert Millikelvin und hohen Magnetfeldern betrieben werden. Zudem wurde die Signalführung zwischen der Stromquelle im Kryostaten und dem Stromverstärker im Hinblick auf die Rauscheigenschaften optimiert. Das neue Messsystem mit rauscharmer Signalführung wurde nun erstmals für Präzisionsmessungen an Einzelelektronenpumpen eingesetzt, wobei relative Messunsicherheiten von unter 1 ppm nach weniger als 2 Stunden Messzeit erreicht wurden. Dieser Aufbau ermöglicht zukünftig Untersuchungen der Langzeitstabilität und der erreichbaren Unsicherheiten von Stromstärkemessungen im Bereich von 100 pA.

 

Probenaufnahme mit gebondetem GaAs-Chip

Bild 1: Probenaufnahme mit gebondetem GaAs-Chip und Signalführung für ein geringes Stromrauschen.