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Untersucht werden die elektrischen Transporteigenschaften eines langen Josephson-Junction-Arrays mit kleinen Al/AlOx/Al-Tunnelkontakten (Bild 1), das mit hochohmigen Chrom(Cr)-Vorwiderständen gebiast ist. Die bei tiefen Temperaturen gemessenen Strom-Spannungskennlinien (Bild 2) zeigen einen Bereich im negativen differentiellen Widerstand, der auf die Anwesenheit und Dominanz der so genannten Bloch-Oszillationen hindeutet. Aufgrund des fundamentalen Strom-Frequenz-Verhältnisses I = 2ef könnten solche Oszillationen für den Aufbau einer quantisierten Stromquelle metrologisch relevant sein. Im Vergleich zu einzelnen Tunnelkontakten [Kuzmin und Haviland, PRL 67, 2890 (1991)] sind in langen Reihenschaltungen wesentlich größere Oszillationsamplituden der Spannung und ein ähnlich breiter Frequenzbereich von bis zu einigen GHz zu erwarten. Von der physikalischen Aufgabenstellung führt die Reihenschaltung der kleinen Josephson-Tunnelkontakte zu...

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In Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen wurden die magnetischen Eigenschaften von lithographisch hergestellten hartmagnetischen CoPt-Quadraten untersucht, die in eine weichmagnetische Permalloy-Matrix eingebettet sind. Solche künstlichen Zweiphasenmagnete sind ein Modellsystem für eine Vielzahl technologisch interessanter mehrphasiger magnetischer Materialien und bieten die Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Mit magnetkraftmikroskopischen und magnetooptischen Abbildungstechniken wurde eine langreichweitig geordnete Domänenstruktur in der Permalloy-Matrix beobachtet.
Mehrphasige nanostrukturierte Materialien sind aufgrund ihrer technologischen Bedeutung gegenwärtig Gegenstand intensiver Forschung. Sie werden z.B. für die Herstellung hochdichter magnetischer Speichermedien diskutiert. Mit zunehmender Dichte der Strukturen gewinnt die magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Strukturelementen an...

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Mit dem Ziel die Integrationsdichte von parallelgeschalteten Quanten-Hall-Widerstandsnormalen zu erhöhen, wurden erste Tests an speziellen Halbleiterproben vorgenommen, die zwei übereinander liegende elektrische Transportkanäle enthalten.
Die Einheit des elektrischen Widerstandes, Ohm (Ω), wird mit Hilfe eines makroskopischen Quanteneffektes, des Quanten-Hall-Effekts, reproduziert. An einer einzelnen Halbleiterprobe gemessen, kann damit ein fester, durch die von-Klitzing-Konstante (≈ 25,8 kΩ) vorgegebener Widerstandswert mit höchster Präzision realisiert werden. Fast beliebige Widerstandswerte, in der Praxis zwischen 100 Ω und 1 MΩ, lassen sich mit integrierten Reihen- und Parallelschaltungen solcher Quanten-Hall-Proben erzeugen. Dabei stößt man aber an technologische Grenzen, weil einerseits die gesamte Fläche des Halbleiterchips nicht beliebig groß und andererseits die einzelnen Quanten-Hall-Elemente nicht beliebig klein gewählt werden...

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Die Erzeugung von Strömen in Halbleiterstrukturen unter Verwendung von rein optischen Methoden hat in den letzten Jahren viel Beachtung gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass mit solchen Techniken relativ einfach spin-polarisierte Ströme und reine Spinströme erzeugt werden können, was eine Grundvoraussetzung für das neue Forschungsgebiet der Spintronik ist. Im einfachsten Fall werden hierzu spezielle Halbleiterstrukturen mit einem optischen Strahl resonant angeregt und der Strom wird durch nichtlineare optische Effekte höherer Ordnung injiziert. Durch Änderung der Polarisation des Anregungsstrahls ist es möglich, die Ströme abzuschalten bzw. sogar umzukehren.
Die Untersuchung von rein-optisch generierten Strömen basierte bisher nur auf der Anregung von freien Elektron-Loch Paaren. In der PTB ist es nun gelungen, solche Ströme durch Anregung von speziellen Resonanzübergängen, so genannten Exzitonen, zu erzeugen. Im Gegensatz zu...

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Die aktuelle Weiterentwicklung der binär geteilten 10 V Josephson Reihenschaltungen mit etwa 70000 Kontakten hat zu einer deutlichen Verbesserung der Arbeitsparameter geführt. Mit der erreichten Stufenbreite von 0,6 mA (siehe Nachricht "Programmierbare 10-V-SINIS-Schaltungen für AC-Anwendungen") sind die Schaltungen jetzt für die Wechselspannungssynthese und -messung auch bei höheren Spannungen hervorragend geeignet. Eine synthetisierte Sinuskurve einer Frequenz 16 Hz mit 32 Stützwerten pro Periode und einer Amplitude von 10 Volt ist in Bild 1 gezeigt.


Bild 1: Synthetisierte Sinuswelle

Angesteuert werden die 10 V-Schaltungen mit einer am NPL (Großbritannien) entwickelten schnellen Stromquelle. Sie musste für diesen Einsatzzweck modifiziert werden, da die maximale Ausgangsspannung der einzelnen NPL Kanalmodule auf 2.6 V begrenzt ist. Eine in der PTB entwickelte kompakte Verstärkerschaltung erlaubt es, die Ausgangsspannung eines Moduls...

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Innerhalb eines speziellen Projektes (iMERA Quickstart) ist in Kooperation mit den Metrologieinstituten Frankreichs und Großbritanniens, LNE und NPL, eine Echtzeit-Kontrolleinheit entwickelt worden, die das Verfolgen beliebiger Spannungen quantengenau innerhalb von etwa 100 µs erlaubt. Damit kann die Spannungsrampe von etwa 1 V/s, die in der dynamischen Phase eines Wattwaagen-Experiments auftritt, mit hoher Präzision verfolgt werden (s. Bild 1).
Ein unter Linux eingerichteter Computer steuert dabei die Stromquelle zur Ansteuerung der Josephson-Schaltung in Echtzeit. Die Stromquelle ist speziell für binäre Josephson-Schaltungen entwickelt worden. Sie besitzt einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU), dessen gemessene Spannung direkt in den entsprechenden digitalen Code für die Josephson-Schaltung umgerechnet wird. Mit der Taktrate von 10 kHz wird nun die am ADU gemessene Spannung mit der Josephson-Spannung kompensiert. Die differentielle...

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Eine neue Methode zur Kalibrierung für Wechselspannungen basierend auf einer synchron synthetisierten Wellenform einer programmierbaren Josephson-Schaltung ist erfolgreich getestet worden.
Bisher werden periodische Wechselspannungen bei Frequenzen bis etwa 400 Hz mit einem Abtastverfahren kalibriert, bei dem ein hoch auflösendes Abtastvoltmeter im Vollausschlag betrieben wird. Nun wurde untersucht, welche Unsicherheiten erreicht werden können, wenn eine Wechselspannung von ± 1,2 V mit einer programmierbaren Josephson-Schaltung kompensiert wird. Die resultierende Differenzspannung zweier Rechtecksignale wurde dafür mit dem gleichen Abtastvoltmeter erfasst, allerdings, und das ist entscheidend, in einem Messbereich des Voltmeters mit höherer Auflösung. Um Unsicherheiten der zu messenden Wellenform auszuschließen, wurde diese mit einem zweiten Josephson-Synthesizer erzeugt. In dem Bild sind die Messergebnisse für Frequenzen bis 5 kHz...

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Mikropotentiometer werden seit langem zur rückführbaren Erzeugung kleiner Wechselspannungen bei der Kalibrierung von Messgeräten eingesetzt. Da vielfach die Ausgangsimpedanz des Mikropotentiometers nicht vernachlässigbar klein gegenüber der Eingangsimpedanz des Messgerätes ist, müssen Korrekturen angebracht werden, die die Messunsicherheit der Kalibrierung vergrößern.
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Korrektureinflusses ist ein kleinerer Ausgangswiderstand des Mikropotentiometers, welches dann, um weiterhin die geforderte Ausgangsspannung zu liefern, mit einer höheren Stromstärke betrieben werden muss. Dazu ist ein Strommesswiderstand (Shunt) nötig, da planare Thermokonverter, die zur Strommessung eingesetzt werden, nur für Stromstärken bis etwa 20 mA verfügbar sind.
Seit einiger Zeit sind Wechselstrom-Shunts verfügbar, die bis zu Frequenzen von 1 MHz Wechsel-Gleich-Transferdifferenzen von nur einigen zehn µΩ/Ω mit einer...

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Neu entwickelte berechenbare Dünnschicht-Thermokonverter auf Quarzsubstrat trugen beim Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im Frequenzbereich bis 1 MHz zu einer erheblich verringerten Messunsicherheit bei. Wegen ihres kapazitäts- und verlustarmen Aufbaues eignen sie sich grundsätzlich auch für höhere Frequenzen bis über 100 MHz.
Zum Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im Hochfrequenzbereich werden bislang Einzelthermokonverter eingesetzt. Die damit erreichbaren Messunsicherheiten für Frequenzen bis 100 MHz liegen im Promille- bis Prozent-Bereich. In der PTB im Rahmen einer Doktorarbeit entwickelte planare Vielfachthermokonverter auf Quarzsubstrat zeichnen sich durch exakt definierte Parameter aus und erreichen auch bei hohen Frequenzen geringe Transferdifferenzen, die sich auch für Frequenzen bis über 100 MHz mit geringer Unsicherheit berechnen lassen. Somit sollten sich durch den Einsatz von Quarz-Thermokonvertern die...

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Die Kalibrierung von Temperaturmessbrücken mit geringer Unsicherheit erfordert niedrige Rauschbandbreiten (bis herab zu 0,1 Hz), um die erforderliche Auflösung zu erzielen. Wird dann noch eine große Anzahl von Messpunkten gewünscht und jeder Messwert als Mittelwert aus zehn oder mehr Einzelmessungen gebildet, kann eine Kalibrierung sehr zeitaufwändig werden. Als rationelle Lösung bietet sich ein automatischer Messplatz an. Da bisherige Brückennormale (siehe PTB-Jahresbericht 2005 "Verringerte Messunsicherheit für Wechselspannungs-Temperaturmessbrücken mit neuem Brückennormal") nur manuell zu bedienen waren, wurde ein rechnersteuerbares Normal entwickelt und aufgebaut (Bild 1). Wie bei den manuellen Normalen dient auch hier als Basis ein induktiver Zweikern-Spannungsteiler mit 24 Teilwicklungen und separater Magnetisierungswicklung (Prinzip siehe Bild 2). Der von der zu kalibrierenden Temperaturmessbrücke gelieferte Messstrom wird über...

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