The Economy

Im Jahr 2014 wurde in mehreren Messkampagnen die Grundlage gelegt, dass internationale Zeitvergleiche zwischen Zeitinstituten in Europa und auch weltweit mit Unsicherheiten unter oder nahe einer Nanosekunde durchgeführt werden können. Diese sind Voraussetzung für die Realisierung der Koordinierten Weltzeit durch das Internationale Büro für Maß und Gewicht BIPM und auch für die Realisierung der Systemzeit des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo. 

Mikrofluidische Sensoren für die Zählung von Partikeln werden gegenwärtig weltweit untersucht. Von der PTB werden Sensoren untersucht, die mit unterschiedlichen lithographischen Methoden (z.B. Glasätztechnik) hergestellt werden. Neben der Messung optischer Streulicht- und Fluoreszenzsignale ...

Der jetzt mögliche Betrieb von Quanten-Hall-Widerständen mit Wechselstrom erlaubt die direkte Rückführung von Wechselstrom-Widerständen auf Naturkonstanten mit vorher nicht erreichbaren kleinen Unsicherheiten [1]. Unter Verwendung einer Quadraturbrücke lässt sich damit auch die Einheit der Kapazität mit Hilfe von Naturkonstanten reproduzieren [2]. Da der Abgleich der Quadraturbrücke frequenzabhängig ist, werden an den Brückengenerator höchste Anforderungen bezüglich spektraler Reinheit seiner sinusförmigen Ausgangsspannung und insbesondere seiner Frequenzstabilität gestellt. Ein Gerät mit diesen Eigenschaften ist kommerziell nicht erhältlich. Daher wurde ein Generator für die benötigte Frequenz 1233,14712 Hz entwickelt und aufgebaut, der von einem 5-MHz-Signal gesteuert wird, das von den PTB-Atomuhren geliefert wird. 

[1] J. Schurr, F. J. Ahlers, G. Hein, and K. Pierz, “The ac quantum Hall effect as a primary standard of impedance,“...

Quantenmechanische Zwei-Zustands-Systeme, so genannte Quanten-Bits (Qubits), können mit supraleitenden Schaltungen auf der Basis kleiner Josephsonkontakte realisiert werden. In der PTB wurden verschiedene Typen von Phasen-Qubits in Nb/AlO_x/Nb Technologie hergestellt und in Kooperation mit der Universität Karlsruhe hinsichtlich ihrer Kohärenzeigenschaften bei mK-Temperaturen untersucht. Die ersten Proben, die mit der Standard-Herstellungstechnik unter Verwendung einer durch ein PECVD-Verfahren abgeschiedenen SiO₂-Isolationsschicht gefertigt wurden, zeigten eine verhältnismäßig kurze Kohärenzzeit für Rabi-Oszillationen von nur etwa 5 ns. Als Hauptursache für die kurze Kohärenzzeit wurden Zwei-Niveau-Fluktuatoren in der Isolationsschicht identifiziert, die quantenmechanisch an das Qubit koppeln. Eine zweite Serie von Proben, bei der die SiO₂-Schicht durch eine PECVD Si₃N₄-Schicht ersetzt wurde, zeigt eine signifikante Erhöhung der...

Die PTB ist seit mehreren Jahren in einem Verbundprojekt tätig, dessen Ziel die Entwicklung von organischen Festkörperlasern ist. Die Aufgabe der PTB besteht in der Herstellung von Gitterstrukturen, die als Resonator für die eigentlichen Laser benötigt werden. In den vergangenen Jahren konnten 
1-dimensionale, als auch 2-dimensionale Gitterstrukturen mit minimalen Dimensionen von unter 100 nm gefertigt und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt werden. Die Resonatoren wurden dabei auf oxidierten Siliziumwafern hergestellt. In die vorhandene SiO₂-Schicht wurde die Struktur mittels Elektronenstrahllithographie und Trockenätzprozess übertragen. Das Ziel der neuesten Arbeiten auf diesem Gebiet ist die Replikation der Gitterstrukturen durch Nanoimprintlithographie, wobei diese in einer engen Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochfrequenztechnik der TU-Braunschweig durchführt wurden. Bei dem Nanoimprintprozess wird eine auf einem Stempel...

Zur Beantwortung dieser Frage betreibt die PTB seit Anfang 2008 einen Messplatz für leitungsgeführte Störungen. Die Untersuchungen stützen sich auf die Normen
DIN EN 62052 11, DIN EN 62053 11/21/22 und die DIN EN 50 470 Teil 1 und Teil 3.

Mit den Komponenten des Messplatzes, z.B. einer Komponente zur Erzeugung elektrostatischer Ladungen, lassen sich visuell die Einflüsse solcher Entladungen an der Zähleranzeige ablesen und mit dem ungestörten Wert vergleichen. Auch andere Störungen, wie z.B. Unterbrechungen oder Absenkungen der Versorgungsspannung, Simulation von induktiven Schaltvorgängen (Bursts), Blitzentladungen/Schalthandlungen im Versorgungsnetz (Surges) oder gedämpfte Schwingungen, erzeugt durch Schaltüberspannungen, können im Messplatz simuliert werden. Die Generatorsysteme sind dabei für ein- und mehrphasige Zähler abgestimmt. Ein Komparator vergleicht das Prüflingsergebnis mit einem unter gleichen Betriebsbedingungen...

Eine kompakte Transistor-Struktur, bestehend aus zwei kleinen Tunnelübergängen zwischen normalleitenden und supraleitenden Elektroden und einer kapazitiven Gate-Elektrode zur mittleren Insel (Bild 1) wird durch ein Hochfrequenz-Gate-Signal zum quantisierten Ladungstransport angeregt. Der Transport ist zyklisch und erfolgt über Anregungen des Quasiteilchenspektrums des Supraleiters. Getrieben von Gate-Oszillationen, tunneln Elektronen im Wechsel durch jeweils einen Tunnelkontakt.In der Insel werden sie jeweils zu Quasiteilchen immer wechselnder Polarität, die anschließend rekombinieren. Aufgrund dieser Funktionsweise hat ein solches System den Namen „hybrides Turnstile“ bekommen [1]. Unsere jüngsten Untersuchungen haben gezeigt, dass der Turnstile-Mechanismus, bei ausreichend transparenten Tunnelbarrieren, bis in den höheren Frequenzbereich (~1GHz) arbeitet, dass aber die Genauigkeit der produzierten Stromstärke von unerwünschten...

Periodische Wechselspannungen werden üblicherweise bei Frequenzen bis etwa 400 Hz mit einem hoch auflösenden Abtastvoltmeter im Vollausschlag und mit relativen Unsicherheiten von 5^.10^-7kalibriert. Kompensiert man eine solche zu messende Wechselspannung mit einer programmierbaren Josephson-Spannung, können die resultieren Differenzspannungen mit dem gleichen Abtastvoltmeter, allerdings mit höherer Auflösung, gemessen werden.
Diese Methode zur Kalibrierung für Wechselspannungen, basierend auf einer synchron synthetisierten Wellenform einer programmierbaren Josephson-Schaltung, dem Abtast- Quantenvoltmeter, ist durch die Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses nochmals deutlich verbessert worden. 
Die ersten Messergebnisse mit neuen, programmierbaren 10V-Josephson-Schaltungen haben unterhalb von 300 Hz bereits eine Unsicherheit von 3^.10^-9 (k = 1, Typ A) erreicht. Der Einsatz von rauscharmen Vorverstärkern verspricht eine weitere...

Programmierbare Josephson Spannungsnormale (PJVS) sind heute neben dem Impuls-getriebenen Spannungsnormal (JAWS) die wichtigste Säule der modernen Spannungs-Metrologie im Wechselspannungsbereich. Obwohl ihr Einsatzgebiet wegen der unvermeidlichen, Nanosekunden-schnellen Schalttransienten beim Übergang zwischen verschiedenen Josephson-Spannungsniveaus auf Frequenzen < 1 kHz beschränkt ist, erschließen zur Zeit nur sie den Spannungsbereich bis 10 V. Die bisher von der PTB hergestellten 10V-PJVS basieren auf einer Reihenschaltung von ca. 70 000 SINIS Josephson-Kontakten (S=Supraleiter, N=Normalmetall, I=Isolator). Deren Herstellung erfolgt jedoch mit sehr geringer Ausbeute. Hauptursache dafür sind Plasma-induzierte Schädigungen der beiden extrem dünnen (2 nm) AlO_x-Isolatoren, die zu singulär erhöhten kritischen Strömen und damit zum Ausfall von etwa 0,01% der Kontakte führen. Wesentlich stabiler und im Prozess unempfindlicher sind dagegen...

In enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Gölzhäuser an der Universität Bielefeld werden die elektrischen Transporteigenschaften organischer „Nanoblätter“ untersucht. Bisher konnte gezeigt werden, dass die zunächst nicht leitenden 1,5 nm dicken Schichten nach Tempern auf mehrere hundert Grad elektrisch leitfähig sind. Dabei steigt die Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 800 K bis 1200 K um sechs Größenordnungen. Ziel dieses Projektes ist es, die Ladungsträgerkonzentration und deren Beweglichkeit zu bestimmen, um einen detaillierten Einblick in die Physik der elektrischen Transportprozesse innerhalb dieser Graphen-ähnlichen Schichten zu bekommen.
Auf organischen Biphenylthiol–Molekülen basierende Nanoblätter stellen in der Nanotechnologie ein Paradebeispiel für die sogenannte Bottom–Up Synthese dar. In mehreren aufeinander folgenden, aber voneinander unabhängigen Schritten können ihre physikalischen Eigenschaften...