The Economy

In Zeiten der Deregulierung des Energiemarktes nimmt das Interesse an der Qualität der Netzspannung (bekannt in der Fachliteratur als „Power Quality“) ständig zu. Dementsprechend wachsen die Anforderungen nach genaueren Messungen der elektrischen Wechselleistung und der damit verknüpften Parameter.

Seit 2002 führt die PTB Kalibrierungen von hochpräzisen Leistungsmessgeräten mit Hilfe eines digitalen Verfahrens durch, das auf dem Prinzip der simultan synchronen Synthese und Abtastung von Wechselgrößen basiert. Dieses Normal dient zur Bewahrung und Weitergabe der Einheit der elektrischen Wechselleistung in der Bundesrepublik Deutschland mit einer erweiterten Messunsicherheit von 5 µW/W (oder 0,0005 %) bei Frequenzen von 40 bis 60 Hz. Nach umfangreichen Untersuchungen und Erweiterungen des Messsystems wird dieses Normal seit einiger Zeit auch bei Kalibrierungen von Leistungsmessgeräten mit verzerrten Kurvenformen bis etwa 5 kHz...

Der elektrische Widerstand wird seit 1990 mit hoher Präzision über den Quanten-Hall-Effekt reproduziert. Es besteht ein Interesse, die Messungen auch mit Wechselstrom (AC) durchzuführen und so Wechselstrom-Widerstände und Kondensatoren zu kalibrieren. Die mit AC gemessenen quantisierten Widerstands-Plateaus sind jedoch nicht so flach wie bei Gleichstrommessungen und es gibt Diskrepanzen bezüglich der Frequenzabhängigkeit zwischen verschiedenen Staatsinstituten. Es ist unklar, ob dies auf den Quanten-Hall-Widerstand oder auf die verwendeten Messbrücken und Referenzwiderstände zurückzuführen ist. Die Instituten, die dieses Gebiet bearbeiten, haben ein detailliertes Verständnis verschiedener Teilaspekte erarbeitet, dennoch wurde bislang kein Durchbruch erreicht.

Das NRC Kanadas, das METAS der Schweiz und die PTB haben daher eine trilaterale Zusammenarbeit vereinbart und im Herbst 2002 und 2003 für insgesamt 12 Wochen im NRC- und im...

Neuartige Logik- und Speicherzellen-Architekturen in integrierten digitalen supraleitenden RapidSingle Flux Quantum (RSFQ) Schaltungen bieten eine Basis für neue Quantennormale und für innovative Lösungen zukünftiger Aufgaben der Präzisionsmesstechnik. RSFQ-Schaltungskomponenten können als zentrale Bausteine zur Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, wobei Chipmodule der Supraleitungstechnik untereinander, sowie der Supraleitungs- und Halbleitertechnik miteinander verbunden werden.

Zur Implementierung in Supraleiter/Isolator/Supraleiter (SIS) Nb/Al2O3-Al/ Nb-Technologie wurde ein Schaltungskonzept entwickelt, in dem zirkulare RSFQ-Schieberegister, die in einem elastischen Pipeline-Modus betrieben werden können, als Speicher für binäre Informationen dienen. Die Schaltungen sollen beim Aufbau des Patterngenerators eines Quantensynthesizers eingesetzt werden, der definierte binäre Sequenzen von Spannungspulsen...

In der elektrischen Präzisionsmesstechnik hat das Interesse an dynamischen anstelle von statischen Messungen in den letzten Jahren stark zugenommen. Diese Entwicklung hat zu verschiedenen Vorschlägen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Schaltungen nicht nur zur Erzeugung von hochgenauen Gleichspannungen, sondern auch für Wechselspannungen und beliebige Wellenformen einzusetzen. Anschaulich lässt sich die Funktionsweise eines Josephson-Spannungsnormals durch den definiert mit einer Frequenz f getakteten Transfer von Flussquanten (Ø₀ =h/2e , entsprechend etwa 2 µV/GHz) interpretieren. Zur Erzeugung beliebiger Wellenformen wird der Transfer jedes einzelnen Flussquants mit je einem Puls einer Hochgeschwindigkeits-Elektronik gesteuert. Die Pulsfolge-Frequenz bestimmt dabei die maximal erreichbare Ausgangsspannung. Da sich die momentane Ausgangsspannung aus der Aufeinanderfolge der einzelnen Pulse ergibt, wird der zeitliche...

Mit dem digitalen Abtastverfahren werden zur Zeit erfolgreich elektrische Wechselgrößen kalibriert. Kern des Verfahrens ist ein hochauflösendes Abtastvoltmeter, dessen A/D-Umsetzer maßgeblich die Messunsicherheit bestimmt.

Mit einem neuen Messverfahren ist es nun gelungen, die statischen und dynamischen Eigenschaften dieses A/D-Umsetzers direkt zu bestimmen. Die Spannungsmessungen werden dabei auf ein programmierbares Josephson-Spannungsnormal zurückgeführt. Um die Stufen konstanter Spannung, Un =n·f/KJ, (mit n der Anzahl der Josephson-Kontakte, KJ der Josephson-Konstante und f der Mikrowellenfrequenz) für Wechselspannungen nutzen zu können, wurde der Messaufbau des Josephson-Spannungsnormals in Kooperation mit dem National Physical Laboratory in Teddington, Großbritannien, erheblich weiter entwickelt. Mit einer binär geteilten, programmierbaren Josephson-Schaltung und einer schnellen Stromquelle lassen sich...

Die PTB ist in einem Verbundprojekt eingebunden, dessen Ziel die Entwicklung von Lasern ist, in denen organische Materialien verwendet werden. Die Aufgabe besteht in der Herstellung von Gitterstrukturen, die als Resonator für die eigentlichen Laser benötigt werden. Hierbei kommen oxidierte Siliziumwafer zum Einsatz. In die vorhandene SiO2-Schicht wird die Struktur mittels Elektronenstrahllithographie und eines Trockenätzprozesses übertragen. Im letzten Jahr wurden die Parameter für Gitter mit Perioden von bis zu 100 nm bestimmt. In ersten Experimenten wurden solche Gitter an der TU Braunschweig vom Projektpartner (Arbeitsgruppe Prof. Kowalsky) beschichtet und optisch angeregt. Da die Belichtungszeiten für die großflächigen Gitter (10 mm x 10 mm) sehr lang sind, wurden zum Teil Gitter mit variabler Periodenlänge produziert. Dabei wurde die Periode z. B. über eine Gesamtlänge von 10 mm zwischen 380 nm und 420 nm kontinuierlich...

Lädt man einen Kondensator mit einer bekannten Zahl von n Elektronen und misst die Spannung U = (n e)/C über dem Kondensator (Kapazität C, Elementarladung e) mit Hilfe eines Josephson-Spannungsnormals, hat man ein Quantennormal für die elektrische Kapazität. Zudem eröffnet dieses Experiment einen Weg zur Realisierung des Dreiecks der elektrischen Quantennormale.

Wir arbeiten an der Implementierung eines solches Experiments unter Einsatz von Einzelladungs-(SET) Schaltungen, die in metallischer Dünnschichttechnologie mit sehr kleinen Elementen im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. Sie bestehen aus einer SET-Pumpe, die einzelne Elektronen „abgezählt“ auf den Kondensator transferiert, und einem SET-Elektrometer, das die gespeicherten Elektronen verlustlos nachweist.

Die Arbeiten im letzten Jahr umfassten den Aufbau und die Inbetriebnahme des Mischungskryostaten, den Aufbau der Messelektronik, die Herstellung von SET-Schaltungen...

An der PTB durchgeführten theoretischen Abschätzungen zufolge bieten Cooper-Paar-Pumpen auf der Basis kleiner Josephson-Kontakte in dissipativer elektromagnetischer Umgebung im Vergleich zu ihren normalleitenden Pendants Vorteile bei der Realisierung einer Quanten-Stromquelle: So könnte eine Cooper-Paar-Pumpe mit einer zehnfach höheren Taktfrequenz von 100 MHz betrieben werden und dadurch eine entsprechend größere Stromstärke von I = 2e·f ≤ 32 pA erzeugen.

Um diese attraktive Eigenschaft optimal ausnutzen zu können, muss man den Beitrag konkurrierender Transportmechanismen sowie den Einfluss verschiedener Störfaktoren minimieren, die aufgrund der Besonderheiten des supraleitenden Zustandes auftreten. Dabei darf die Rate des seriellen Tunnelns von Paaren, je eines über jeden Kontakt, die für die Schnelligkeit des Pumpens maßgebend ist, möglichst wenig reduziert werden.

Hierfür spielt die dissipative Umgebung eine besonders wichtige...

Die als Teil des EU-Projekts „SQUBIT-2“ durchgeführten experimentellen Arbeiten konzentrierten sich im letzten Jahr auf die Optimierung der an der PTB konzipierten HF-Ausleseanordnung für ein Ladungs-Phasen-Quantenbit, d.h. den in eine supraleitende Schleife eingeschlossenen Bloch-Transistor. Bei diesem Ansatz sollen die beiden stationären Quantenzustände des Systems anhand der jeweiligen Josephson-Induktivität unterschieden werden.

Dazu wird die genannte Schleife induktiv an die Spule eines HF-Resonanzkreises gekoppelt. Aus der Verstimmung der Kreisresonanz kann dann auf die Josephson-Induktivität und damit auf den Quantenzustand geschlossen werden. Der Grad dieser Verstimmung, d.h. die Empfindlichkeit der Ausleseanordnung, hängt bei gegebenen Werten der Josephson-Induktivität wesentlich von der Kopplung zwischen Spule des Resonanzkreises und der supraleitenden Schleife sowie vom Gütefaktor des Kreises ab. Bei der Wahl geeigneter...

Zur Charakterisierung von nanostrukturierten magnetischen Datenspeichermedien wurde im Laufe der letzten fünf Jahre in der Arbeitsgruppe 2.52 ein Magnetkraftmikroskop aufgebaut. Diese Apparatur erlaubt es, Magnetfelder mit einer räumlichen Auflösung von besser als 20 nm. Die absolute Positionierbarkeit in der Ebene der Probe ist besser als 50 nm. Die ersten Messungen wurden an magnetischen Festplatten durchgeführt. In den Filmstrukturen konnten Domänen mit einer Ausdehnung von weniger als 50 nm sichtbar gemacht werden. In diesem Jahr wurden erstmals mit der Apparatur Messungen an quasi-punktförmigen Strukturen durchgeführt. Dabei handelte es sich um Kobalt-Nanoteilchen mit Durchmessern unter 10 nm. Die Magnetfeldbilder zeigen, dass sich einzelne magnetische Domänen, d.h. abgegrenzte Bereiche mit homogener Magnetisierung, mit Durchmessern von 20 nm bis 100 nm bilden. In einer weiteren Versuchsreihe wurden 30 nm bis 40 nm große...