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Einzelladungs-Schaltungen

Arbeitsgruppe 2.42

Forschung:

Einzelladungs-Detektoren

Entwicklung und Fabrikation von Einzelladungs-Detektoren für die Erkennung der Pumpfehler von Einzelelektronen-Pumpen

Einzelelektronenpumpen sind ein wesentlicher Bestandteil eines zukünftigen Quantenstromnormals, das die elektrische Stromstärke auf die Größe der Elementarladung und die Frequenz zurückführt. Für praktische Anwendungen sollten die quantisierten Ströme größer 100 pA sein, was Pumpfrequenzen von etwa 1 GHz erfordert. Die bisherigen Experimente mit Einzelelektronenpumpen zeigen einen starken Anstieg der erreichbaren Unsicherheit mit der Pumpfrequenz.

Eine Möglichkeit zur Verringerung dieser Unsicherheit besteht in der Serienschaltung mehrerer Einzelelektronenpumpen und der Überwachung der Ladung auf den zwischen den Pumpen befindlichen Kapazitäten. Diese Ladung ist konstant bei fehlerfreiem Betrieb, ändert sich aber bei Pumpfehlern um eine Elektronenladung. Da Fehler nur selten auftreten, lassen sie sich selbst bei hohen Pumpfrequenzen detektieren.
Die Ladung auf den zwischen den einzelnen Pumpen befindlichen Kapazitäten kann mit der erforderlichen Auflösung einer Elementarladung mit Hilfe von Einzelelektronen-Transistoren gemessen werden. Somit können Fehler der Elektronenpumpen erkannt und gezählt werden und der Quantenstrom entsprechend korrigiert werden.

Die Einzelelektronen-Transistoren werden mittels einer Schrägbedampfungstechnik aus Al hergestellt und zusammen mit den Elektronenpumpen auf einem Chip integriert.

Diese Arbeiten wurden von Mai 2012 bis April 2015 im Rahmen des EMRP-Projektes „Quantum Ampere“ gefördert.