Science

Supraleitende Schaltkreise, die auf kleinen Josephson-Tunnelkontakten und dem Tunneln einzelner Cooper-Paare basieren, sind viel versprechende Kandidaten für gezielt manipulierbare quantenmechanische Zweizustands-Systeme, so genannte Quantenbits (Qubits). Ihre Wirkungsweise als Qubit beruht auf der kohärenten Superposition von makroskopischen Quantenzuständen, wobei allerdings das Tunneln ungepaarter Elektronen stochastisch und instantan den Ladungszustand und damit den Arbeitspunkt des Qubits ändert. Überdies ist diese so genannte Quasiteilchen-Vergiftung eine Ursache der Dekohärenz des Qubits. Wir haben Quasiteilchen-Übergänge in einem so genannten Ladungs-Phasen Qubit [1] untersucht, das als Aluminium-Bloch Transistor in einer supraleitenden Spule eingebettet ist. Das Ladungs-Phasen Quantenbit besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch zwei Josephson-Kontakte mit einer dazwischen liegenden kleinen Insel, einen so genannten...

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...

Die in der Mikrowellen- und Höchstfrequenztechnik häufig eingesetzten koplanaren Wellenleiter weisen aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der metallischen Leiterbahnen eine ausgeprägte Frequenzabhängigkeit des Leitungswellenwiderstandes auf. Werden diese Wellenleiter z.B. als Kalibriernormale für On-Wafer-TRL-Kalibrierungen eingesetzt, ist eine genaue Kenntnis des Leitungswellenwiderstandes erforderlich. Es lässt sich zeigen, dass auf verlustarmen Substraten zur Berechnung des Leitungswellenwiderstandes die Messung der Ausbreitungskonstanten und des frequenzunabhängigen Kapazitätsbelags ausreichen. Während die Messung der Ausbreitungskonstanten mit hoher Genauigkeit möglich ist, stellt die genaue Bestimmung des Kapazitätsbelags immer noch eine Herausforderung dar.
In Zusammenarbeit mit der Universität Hannover wurden daher zwei verschiedene Messverfahren zur Bestimmung des Kapazitätsbelags planarer Wellenleiter auf verlustarmen...

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...

Abtastverfahren mit hoch auflösenden Analog-Digital-Umsetzern und nachfolgender Fourieranalyse der erfassten Messdaten sind seit Jahrzehnten unentbehrliche Werkzeuge in der Metrologie. Das genaueste zur Zeit bekannte Verfahren basiert auf der synchronen Wechselsignalsynthese und anschließender simultaner Abtastung. Ausführliche Untersuchungen zur Messunsicherheitsevaluierung der Koeffizienten einer diskreten Fourier-Transformation der so gewonnenen Abtastwerte erlauben die Bestimmung der Unsicherheit der daraus extrahierten Wechselgrößen, wie z. B. der elektrischen Impedanz, Phase oder Leistung. Die Analysen berücksichtigen eine Reihe von Störeffekten sowohl bei der Signalerzeugung als auch bei der Signalerfassung, u.a. Zeitbasisjitter- und Rauscheffekte.

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...

Kalibrierungen von hoch-genauen Leistungskomparatoren verlangen den Einsatz von sehr stabilen Wechselspannungsquellen. Aus diesem Grund wurde im Fachbereich 2.3 ein Hochspannungsverstärker entwickelt, der eine Betrags- und Phasen-Stabilität von ± 0,1 µV/V bzw. ± 0,1 µrad über Stunden aufweist. Der Klirrfaktor liegt unterhalb 0,003 % (< 90 dBc) in allen Spannungsbereichen von 60 V bis 480 V. Die Wärmeabgabe des Verstärkers ist vernachlässigbar, und dank einer magnetischen Kopplung (von 10 Hz bis 5 kHz) arbeiten alle elektronischen Komponenten mit niedrigen Versorgungsspannungen von maximal 30 V. Ein Mikrocontroller-basiertes Interface erlaubt die Steuerung des Verstärkers mit einem Personal-Computer.

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...

Moderne Normale für die Wechselleistungsmesstechnik verkörpern Quelle und Messeinheit zugleich. Solche Einrichtungen beinhalten den "Stand-der-Technik" der digitalen Signalverarbeitung und sind in der Lage, komplexe Signale zu erzeugen und zahlreiche Signalverläufe der Versorgungsnetze nach der IEC Norm zur Netzqualität zu erzeugen. Wegen der wirtschaftlichen Bedeutung von Netzqualität ("Power-Quality") ist die Rückführung von Netzqualität-Parametern eine wichtige Aufgabe des Fachbereichs 2.3 der PTB. Mit Hilfe des primären Abstastnormals werden Harmonische, Flicker, fluktuierende Harmonische und Interharmonische mit relativen Messunsicherheiten von einigen Teilen in 106 bestimmt.

Die Bewahrung und Weitergabe der Einheit der elektrischen Wechselleistung in der PTB erfolgt mit Hilfe der simultanen synchronen Wechselsignalsynthese mit anschließender synchroner Abtastung. Untersuchungen hatten ergeben, dass die Messunsicherheit für die Wechselleistung bei Integration eines primären Thermokonverters in das digitale System geringer werden sollte. In der Tat konnte nun gezeigt werden, dass mit Hilfe der synchronen AC-DC Transfermessungen Effektivwerte (die Basisgrößen für die Bestimmung der elektrischen Wechselleistung) mit Messunsicherheiten von einigen ± 0,1 µV/V erfasst werden können. Damit wird die Messunsicherheit für die Wechselleistung annähernd halbiert und erreicht einen Wert von ± 1 µW/VA, bei Frequenzen von 40 Hz bis 65 Hz und Stromstärken bzw. Spannungen von 5 A und 120 V. Dies dürfte die Grenze des mit klassischer Analog- und Digital-Messtechnik Erreichbaren darstellen. Eine weitere Reduzierung der...