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Scientific news from division 2

Latest scientific news

Symbolische Darstellung „Digitaler Kalibrierschein“

Durch eine Funktionserweiterung der digitalen Auftrags­verwaltung, die im Fachbereich „Gleichstrom und Niederfrequenz“ in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB zur Durchführung von Kalibrier­dienstleistungen eingesetzt wird, ist es nun möglich, digitale Kalibrierzertifikate (DCC) vollautomatisch zu erzeugen. Dies wurde zunächst für die Messgrößen Temperatur und Luftfeuchte implementiert, für die...

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Foto des Messaufbaus im PTB Labor.

Eine Charakterisierung des neuen CERN-Digitalisierers wurde mit dem programmierbaren 10-V-Josephson-Spannungsnormal der PTB durchgeführt. Der neue Digitalisierer wurde entwickelt, um die höheren Leistungs-anforderungen für die Stromversorgung der supraleitenden Magnete im High Luminosity Large Hadron Collider des CERN zu erfüllen. Durch die Bereitstellung praktisch rauschfreier...

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Foto von zwei 20-V-Josephson-Arrays auf einem Probenhalter.

Programmierbare Josephson-Spannungsnormale sind etablierte elektrische Quantennormale bestehend aus Serienschaltungen (Arrays) von einigen Tausend Josephson-Kontakten, mit denen nationale Metrologieinstitute die Einheit der elektrischen Spannung, das Volt, bis hinauf zu Spannungen von etwa 10 V realisieren. Nun ist der PTB gelungen, durch eine Reihenschaltung von vier Arrays mit je 20 V weltweit...

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Höhenverstellbare Halterung für ein Standard-Platin-Widerstandsthermometer

Die unübertroffen geringe Messunsicherheit, die mit Hilfe von Kryo­strom­komparatoren in der Widerstandsmetrologie erreicht wird, legt die Verwendung dieses Messmittels in der Widerstands­thermometrie nahe. Eine in Kooperation der PTB-Abteilungen „Elektrizität“ und „Temperatur und Synchrotron­strahlung“ entwickelte kommerzielle Kryostrom­komparator-Messbrücke wurde erfolgreich im Fach­bereich...

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For the future representation and dissemination of the unit ohm of resistance, graphene-based and GaAs-based quantum Hall (QH) resistors from PTB's own production were compared against each other at the highest level of precision. The comparison was performed indirectly using a conventional reference resistor and shows that the universality of the quantum Hall resistance in the material systems...

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Magnetisches Phasendiagramm von FeCoSi im thermischen Gleichgewicht und im metastabilen Zustand.

Nanoskalige magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, gelten als mögliche Kandidaten für zukünftige Magnetspeicher. In der PTB konnte nun die lokale Erzeugung und Vernichtung von Skyrmionen mittels Laserstrahlung nachgewiesen werden, was perspektivisch das kontrollierte Schreiben und Löschen der Skyrmionen zur Datenspeicherung ermöglicht.

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Gemessene Strahlungsamplitude in Abhängigkeit vom Magnetfeld und Anregungsphotonenenergien

Für die Realisierung der elektrischen Widerstandseinheit „Ohm“ mittels des Quanten-Hall-Effekts werden zurzeit meist noch Galliumarsenid- Widerstandsnormale genutzt, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Mithilfe ultraschneller optoelektronischer Experimente gelang es nun, Übergänge zwischen den Quanten-Hall-Niveaus in einem Volumenhalbleiter bei Raumtemperatur zu detektieren.

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Quantenwiderstandsnormale aus Graphen erlauben die präzise Darstellung der Widerstandseinheit Ohm unter vereinfachten Messbedingungen bezüglich Temperatur und Magnetfeld gegenüber konventionellen GaAs-basierten Widerstandsnormalen. Um eine präzise Quantisierung auch bei kleinen Magnetfeldern zu erreichen, muss die Elektronendichte im Graphen präzise eingestellt werden. Der PTB ist die...

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Elektronenmikroskopisches Bild der Einzelelektronen-Pumpe

Eine ideale Einzelelektronen-Stromquelle erzeugt bei Taktung mit der Frequenz f eine Stromstärke von genau -e·f, wobei e die Elementarladung (negative Ladung des Elektrons) ist. Bei derartigen Stromquellen, die seit einigen Jahren an der PTB untersucht werden, wurden bereits sehr gute Genauigkeiten nachgewiesen, allerdings bisher nur bei Betrieb in hohen Magnetfeldern. Durch einen neuen...

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Magnetische Streufeldverteilung über einer Testprobe

Auf Basis einer kürzlich veröffentlichten internationalen Norm zur Kalibrierung von Magnetkraft­mikro­skopie­messungen können nanoskalige magnetische Streu­feldverteilungen erstmals quantitativ vermessen werden. An der PTB wurde dafür nun ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Mess­unsicherheiten entwickelt, das erstmals auch Korrelationen berücksichtigt.

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Foto des Aufbaus zur dynamischen Untersuchung von magnetischen Oberflächendomänen in kornorientierten Elektroblechen

Im Rahmen des EMPIR Projektes 19ENG06 HEFMAG wurde ein Messplatz zur Charakterisierung von Ummagnetisierungsprozessen in kornorientierten Elektroblechen aufgebaut. Zum Einsatz kommen dabei magneto-optische Indikatorfilme (MOIF), die die Oberflächenmagnetisierung bei periodischer elektrischer Anregung unverzögert darstellen und damit wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung der Verlustmesstechnik für...

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Auslastung der Elektronenstrahllithographie

In der PTB wurde ein Aufbau zur optoelektronischen Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen demonstriert. Dieser Aufbau verwendet komplett optische Glasfasern zur Strahlführung ohne jegliche Freistrahlpropagation. Solche Methoden könnten sich als wichtig für zukünftige Quantentechnologie-Anwendungen erweisen.

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Zeitlicher Verlauf (a) und Spektrum (b) des elektro-optisch gemessenen Mikrowellensignals

In der PTB wurde ein Aufbau zur optoelektronischen Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen demonstriert. Dieser Aufbau verwendet komplett optische Glasfasern zur Strahlführung ohne jegliche Freistrahlpropagation. Solche Methoden könnten sich als wichtig für zukünftige Quantentechnologie-Anwendungen erweisen.

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Phasengeschwindigkeitsanpassung durch periodische Modulation der Schaltkreiskapazität.

Supraleitende Wanderwellenverstärker (engl. Traveling-Wave Parametric Amplifier, TWPA) sind neuartige Verstärker für den unteren GHz-Frequenzbereich, die sich vor allem durch ihr extrem niedriges Rauschen auszeichnen. Eine Herausforderung bei der Realisierung solcher Verstärker ist die Synchronisierung der Phasengeschwindigkeit von Signal- und Pump-Welle. Die PTB hat hierfür ein vielversprechendes...

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Schematische Darstellung des λ/2 Mikrowellenresonators

Die intrinsische Nichtlinearität der Induktivität von Josephson Kontakten ist die Basis für eine Reihe von parametrischen Effekten, die unter anderem Methoden der Frequenzmischung ermöglichen. Unter Nutzung von Schaltungen mit sogenannten RF‑SQUIDS konnten in der PTB Experimente mit kontrollierter Drei-Wellen-Mischung bei Frequenzen von etwa 4 GHz durchgeführt und entsprechende parametrische...

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Miniaturisierte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) mit Josephson-Kontakten, die Abmessungen im Submikrometer-Bereich aufweisen, bieten extrem hohe räumliche Auflösung und Spinempfindlichkeit sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Durch die immer stärkere Miniaturisierung der Abmessungen wird es jedoch zunehmend schwieriger, den magnetischen Fluss im...

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REM-Aufnahme des hergestellten 4JJSQs

Miniaturisierte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) mit Josephson-Kontakten, die Abmessungen im Submikrometer-Bereich aufweisen, bieten extrem hohe räumliche Auflösung und Spinempfindlichkeit sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Durch die immer stärkere Miniaturisierung der Abmessungen wird es jedoch zunehmend schwieriger, den magnetischen Fluss im...

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Spektrum einer 5-Ton-Wellenform im GHz-Frequenzbereich, die mit einem RF-JAWS-System erzeugt wurde.

Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale basierend auf dem Prinzip des Josephson-Arbitrary Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglichen die quantengenaue Erzeugung beliebiger Wellenformen mit einer extrem hohen spektralen Reinheit. Bisher wurden an der PTB JAWS-Schaltungen nur mit Signalfrequenzen im unteren MHz-Frequenzbereich realisiert. Für neue Anwendungen im Mikrowellenbereich wurden jetzt...

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Durch Flip-Chip Technologie positionierte Sleeves auf Chip

Mit der sogenannten Flip-Chip-Technologie können verschiedene Chips, die entweder auf Halbleiter- oder Supraleiter-Schaltungstechnik basieren können, direkt miteinander kontaktiert werden. Des Weiteren ist eine Verbindung zu optischen Bauteilen möglich. Um den Anwendungsbereich von Supraleitungsschaltungen an der PTB zu erweitern wurden verschiedene technologische Prozesse, die essentiell für das...

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Schematische Darstellung des Messsystems.

In den letzten Jahren gab es viele technische Fortschritte bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern. Insbesondere hat die Verbreitung von SiC- und GaN-basierten Halbleitern für industrielle Leistungsanwendungen deutlich zugenommen. Durch diese Technologien ist es möglich, immer kürzere Schaltzeiten für leistungselektronische Anwendungen zu realisieren.

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Prinzipielle zeitliche Signalverläufe der Spannung und der Stromstärke

Die Notwendigkeit des Aufbaus einer geeigneten messtechnischen Rückführung für Messgrößen nichtsinusförmiger Strom- und Spannungssignale ergibt sich aus zunehmend häufigen Anfragen aus Industrie und aus dem gesetzlichen Messwesen. Hierbei handelt es sich meist um die Klärung von Unstimmigkeiten, die bei entsprechenden Messungen unter Nutzung verschiedener Messgeräte auftreten.

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Hochspannungsgenerator und mehrere Präzisionsspannungsteiler für hohe Gleichspannungen

Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes leitet die PTB ein Arbeitspaket zur Entwicklung von messtechnischen Lösungen bei ultrahohen Gleichspannungen. Im Sommer 2022 wurde ein internationaler Vergleichstest zwischen dem schwedischen nationalen Metrologieinstitut RISE und der PTB mit neuen Spannungsteilern durchgeführt. Diese Komponenten sind Grundlage für zukünftige Kalibrier- und...

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Der zeitaufwändige Abgleich einer in der PTB zur Kalibrierung von Kapäzitätsnormalen verwendeten Messbrücke konnte durch den Einsatz rechnergesteuerter induktiver Spannungsteiler und neu entwickelter Software bei unverändert niedriger Messunsicherheit deutlich beschleunigt werden.

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Für den zur hochgenauen Widerstandskalibrierung in der PTB eingesetzten Kryo­stromkomparator (CCC) wurde ein störunempfindlicher Mess­stellen­umschalter mit hervorragender elektrischer Isolation entwickelt, durch dessen Einsatz zukünftig die vollautomatische Kalibrierung mehrerer Widerstände nacheinander durchgeführt werden kann.

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Messestand des 5G Reallabors auf der Hannover Messe 2022

As part of the project “5G Reallabor Braunschweig-Wolfsburg” (5G Real Laboratory), industry and science are researching use cases of 5G technology in the region. The new 5G mobile communications standard is considered the key technology of the future. With its real-time capability, data transmission assurance and increased bandwidth, 5G is taking on an important role in technology succession. PTB...

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Messaufbau zur Kalibrierung eines digitalen Energiezählers

Zukünftige elektrische Verteilungs- und Übertragungsnetze benötigen echtzeitfähige Steuerungs- und Überwachungssysteme, um die Stabilität der Versorgungsnetze zu gewährleisten. In der erforderlichen Messtechnik werden dafür zukünftig digitale abtast- oder „Sampled Value“ (SV)-basierte Methoden eingesetzt, wobei die zugehörigen Hochspannungssensoren und Messsysteme zeitlich hochgenau synchronisiert...

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Auf supraleitenden Schaltungen wie dieser soll der Quantencomputer beruhen, der im Projekt ‚QSolid‘ entwickelt wird. (Foto: Christoph Kißling, PTB)

Ein Quantencomputer auf Basis supraleitender Schaltkreise hat einen großen Vorteil gegenüber anderen Quantencomputer-Konzepten: Seine Quantenbits (Qubits) ermöglichen eine signifikante Hochskalierung und sind relativ robust gegenüber äußeren Störungen. Daher setzt das jetzt gestartete bundesweite Verbundprojekt ‚QSolid‘ auf diese Technologie. Innerhalb der nächsten fünf Jahre will es einen...

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Originalgroße Kopie eines der zwei Ausleger der Radarantenne für die Raumsonde JUICE – der weiße Fahnenmast dient lediglich als Support

Auf dem Antennenfreifeld der PTB wurden die abschließenden Untersuchungen an der Radarantenne für die ESA-Mission JUICE durchgeführt, mit der die Eisschichten der Jupiter-Monde vermessen werden sollen. Für die genauen Messungen der Impedanz, also des inneren Widerstandes der Antenne, nutzte die Firma SpaceTech im Auftrag von Airbus für die ESA das europaweit einzigartige Antennenfreifeld der PTB.

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Quasi-optical measurement setup for the determination of the insertion loss between the waveguide plane A and the plane of the pyroelectric detector B consisting of input and output waveguides, corrugated horn antennas and elliptical mirrors.

The authors Rolf Judaschke, Mathias Kehrt, Karsten Kuhlmann and Andreas Steiger receive the "Andy Chi Best Paper Award" for publishing the results of their two-year collaboration "Linking the Power Scales of Free-Space and Waveguide-Based Electromagnetic Waves". This prestigious award recognizes the best paper published in the "IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement" in the past year...

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Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs an einer Schnellladesäule mit zwischengeschaltetem Messsystem

Eine Million öffentlicher Ladepunkte für Elektroautos sollen nach Planung der Bundesregierung bis 2030 in Deutschland zur Verfügung stehen. Doch während an herkömmlichen Tankstellen die korrekte Messung und Abrechnung des getankten Treibstoffs selbstverständlich und verlässlich ist, ist eine entsprechende Messtechnik vor allem für schnelle Strom-Ladesäulen noch neu und wird ständig weiter...

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Schematic representation of the measurement setup used for calibrating an MFM tip by means of a quantum sensor

A classical measurement system for measuring magnetic field distributions, spatially varying on the nanometer scale, was, for the first time, calibrated by means of an atomic quantum sensor. The new calibration procedure does not depend on simplifying model assumptions and allows more reliable measurements of magnetic field distributions with high spatial resolution.

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Graphene quantum Hall resistor in the sample holder

In a recent study, the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) has investigated a graphene quantum Hall resistor developed and fabricated by PTB. By comparison with conventional quantum resistance standards based on semiconductor heterostructures, the excellent properties of the graphene sample were confirmed, underpinning its suitability as a primary quantum resistance standard.

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Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA Typ 1) des Herstellers Firma Magnicon

Die bestmögliche Kalibrierung der Transresistanz eines Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA) ist aufwändig, da hierzu ein Kryo-Stromkomparator benötigt wird. Hat man jedoch einen gut bekannten, kalibrierten ULCA als Referenz zur Verfügung, so lässt sich die Kalibrierung eines weiteren ULCA auf einfache Weise mit einem Digitalmultimeter validieren.

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Normalteiler KT 63

Für die Rückführung von AC-Spannungsverhältnissen im Frequenzbereich zwischen 25 Hz und 5 kHz wurde ein hochpräziser induktiver Spannungsteiler entwickelt. Die Wirkkorrektionen des neuen Normalteilers konnten durch einen verbesserten Aufbau mit einer magnetisch geschirmten Magnetisierungswicklung für die Frequenz f = 225 Hz um den Faktor fünf auf Werte unterhalb von 6 nV/V reduziert werden. Bei...

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