The Economy

Im Rahmen der Entwicklung eines neuen, effizienteren Verfahrens zur Bestimmung des Schirmdämpfungsmaßes kleiner flächiger Proben im Frequenzbereich von MHz bis zu einigen GHz wurden zahlreiche Messungen mit Hilfe eines neu entwickelten Richtkopplers durchgeführt. Dieser besteht aus zwei Teilen, zwischen die die Proben in DIN A5 - Größe eingebracht werden können (siehe Bild). Simulationsrechnungen dieses Messaufbaus mit der Momentenmethode (Programm Concept II, TU Hamburg-Harburg) haben für ausgewählte Materialien bereits eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten gezeigt. Insbesondere lässt sich die Dämpfung von aufgesprühten Metallschichten relativ zur Dämpfung von Metallfolien angeben. Mit dieser auf Streuparameter rückgeführten Messmethode werden die üblichen Probleme vermieden, die bei der sonst gebräuchlichen Verwendung von Antennen im MHz-Bereich oder von Resonatoren auftreten.

Bild 1: Richtkoppler bestehend aus zwei Teilen,...

Zunehmendes Interesse an hochgenauen AC-Spannungen hat zu verschiedenen Entwicklungen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Reihenschaltungen auch für diese Anwendungen einzusetzen. Reihenschaltungen aus überdämpften Josephson-Kontakten mit einer binären Teilung für Spannungen bis 1 V werden bereits für verschiedene Anwendungen im Frequenzbereich bis etwa 1 kHz eingesetzt. Zur weiteren Reduzierung der relativen Messunsicherheiten ist die Erhöhung der Ausgangsspannung auf 10 V notwendig. Hierfür muss die Anzahl der Josephson-Kontakte von 8192 bei 1-V-Schaltungen auf etwa 70.000 erhöht werden, wenn die Schaltungen bei einer Mikrowellen-Frequenz um 70 GHz betrieben werden. In zwei unterschiedlichen Designvarianten sind die Kontakte in 64 bzw. 128 parallelen Mikrowellen-Ketten mit einer quasi-binären Teilung integriert.
Trotz der gewaltigen technologischen Herausforderungen aufgrund der großen Zahl von Kontakten konnten nun...

Bei der Kalibrierung der Anstiegszeit schneller Speicheroszilloskope konnten weitere Fortschritte erzielt werden. Während bisher ausschließlich die aufwändige Kalibrierung am optoelektronischen Primärnormal der Arbeitsgruppe 2.54 - Terahertz-Optik durchgeführt werden konnte, steht jetzt ein Pulsgenerator als Sekundärnormal zur Verfügung (siehe Bild), der zumindest in einem etwas eingeschränkten Bandbreitebereich bis 50 GHz und mit etwas größerer Messunsicherheit effizient eingesetzt werden kann. Es muss nicht mehr jeder einzelne Prüfling aufwändig am Primärnormal kalibriert werden, sondern nur noch das Sekundärnormal selbst. Das so kalibrierte Sekundärnormal wird dann als bekannte Signalquelle für die Kalibrierung der Prüflinge eingesetzt. Während bisher nur Oszilloskope mit externen Samplingmessköpfen kalibriert werden konnten, besteht jetzt auch die Möglichkeit, kompakte Geräte zu kalibrieren.

Bild 1: Neues Sekundärnormal zur...

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 Eigenschaften von kommerziell erhältlichen breitbandigen Mikrowellenprüfspitzen wurden in einem Frequenzbereich bis 50 GHz mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren messtechnisch bestimmt. Zum Einsatz kamen sowohl auf 1-Tor- als auch auf 2-Tor-Kalibrierungen beruhende Verfahren. In beiden Fällen erwies sich eine Vorabcharakterisierung der verwendeten On-Wafer-Kalibrierstandards als besonders wichtig. Zur Kalibrierung an der koaxialen Referenzebene wurde stets eine breitbandige Sliding-Load-SOLT-Kalibrierung eingesetzt. Es zeigte sich, dass die Eigenschaften der Prüfspitzen stark von dem verwendeten Substratmaterial abhängen und dass zum Teil deutliche Abweichungen von den Herstellerdaten auftreten können.

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...

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...

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...

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.