Nachgezählt: Charakterisierung einer Halbleiter-Einzelelektronen-Pumpe durch Einzel-Ladungs-Detektion

Im neuen SI-System soll zukünftig die Definition der Einheit der Stromstärke Ampere durch Festlegung des Wertes der Elektronenladung e erfolgen. Einzelelektronenpumpen, die Elektronen im regelmäßigen Takt einer präzisen Uhr Elektron für Elektron transportieren, wären damit ein geeignetes Quantennormal der elektrischen Stromstärke. Die an der PTB untersuchten Halbleiter-Einzelelektronenpumpen gelten aktuell als die vielversprechendsten Kandidaten für eine derartige metrologische Anwendung.

Mit einer an der PTB entwickelten Quantenschaltung (Abbildung) konnten diese Halbleiter-Einzelelektronenpumpen nun erstmals auf der Skala einzelner transferierter Elektronen charakterisiert werden. Dafür wurde eine Einzelelektronenpumpe in einer Schaltung mit einem metallischen Einzelelektronen-Detektor verbunden. Über den Detektor kann die Anzahl der in jedem Pumpzyklus transferierten Ladungsträger detektiert und damit „nachgezählt“ werden. Durch eine anschließende statistische Analyse der Anzahl der pro Zyklus gepumpten Elektronen konnte die Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern untersucht werden. Der Vergleich mit theoretischen Modellen ermöglichte dann ein detailliertes Verständnis des Pumpprozesses. Basierend auf den Modellvorhersagen lassen sich nun Strategien entwickeln, auf welche Weise die Präzision der Elektronenpumpe zukünftig weiter verbessert werden kann.

Siehe auch: L. Fricke, M. Wulf, B. Kaestner et al., Phys. Rev. Lett. 110, 126803 (2013)

Bild 1: Elektronen-Mikroskopie-Aufnahme einer Schaltung mit Elektronenpumpe (QD), einem angeschlossenen Ladungsspeicher (Node) und mehreren Detektoren (Det1,2). Inset: Signale von zwei Detektoren beim quantisierten Ladungstransport der Pumpe auf die Node. Jede vertikale Linie repräsentiert einen Pump-Puls, jede Stufe ein detektiertes Elektron.

Ansprechpartner: L. Fricke
Fachbereich 2.5: Halbleiterphysik und Magnetismus