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Scientific news from division 2

Latest scientific news

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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Die PTB hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, welches durch Abtastung und anschließende Kurvenanpassung den Phasenwinkel zwischen zwei Sinussignalen präzise bestimmen kann. Im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren, die auf der Erkennung von Nulldurchgängen beruhen, werden störende Einflüsse stark reduziert und so die Messunsicherheit verringert.

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Calibration result of the generalized efficiency (left panel) Thermoelectric RF sensor (right panel)

In the last three years, the frequency range for the calibration of radio frequency (RF) power sensors at PTB has been extended from 110 GHz to 170 GHz. This was advanced both within the framework of an industrial cooperation and, in parallel, by research and comparison measurements with other metrology institutes within the EU metrology research project “TEMMT”. Since the beginning of 2021,...

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Half-time event -Foto from 5G-Reallabor

In the 5G living lab, various partners from science and industry are researching the benefits of the 5G mobile communications standard in practice. It is considered the key technology of the future and enables data to be transmitted with low latency, and it is particularly secure and allows a high bandwidth. The living lab partners presented the first results at a digital half-time event on...

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Prinzipschaltbild des Messaufbaus zur passiven Signalmessung und zum aktiven Channel Sounding

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Verbundvorhabens Gemimeg-II „Sichere und robuste kalibrierte Messsysteme für die digitale Transformation“ hat die PTB ein Messsystem beschafft und aufgebaut, mit dem Kanal- und Signalmessungen bei drahtlosen Sensornetzwerken in Industrieumgebungen durchgeführt werden sollen.

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Messteiler in Leiterplattentechnologie Mitte/links: Spannungserzeuger, rechts: DC-Referenzteiler

Die elektrische Energieversorgung und -verteilung wird im Rahmen der Energiewende zukünftig starke Veränderungen erfahren. Der Wechsel von der Energieerzeugung in Großkraftwerken hin zu dezentralen, nachhaltigen Energieerzeugern stellt auch die Hochspannungsmesstechnik der PTB vor große Aufgaben. Um den zukünftigen Anforderungen gerecht werden zu können, wird der gesamte Hochspannungsbereich der P...

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Messsystem zur Charakterisierung von AC-Ladevorgängen an Elektrofahrzeugen

An Ladepunkten für Elektrofahrzeuge außerhalb von Laboratorien stellt die Messung der abgegeben und anschließend abgerechneten Energiemenge für die Energiemesstechnik eine besondere Herausforderung dar. Grund ist, dass das Messsystem und der Ladepunkt sich sowohl bezüglich Umwelt- als auch elektrischer Einflussfaktoren in einem nur eingeschränkt kontrollierten Bereich befinden.

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Schematische Darstellung der Struktur eines intelligenten Messsystems

Der Eilbeschluss des Oberverwaltungsgerichts Münster vom 04.03.2021 bezüglich der Freigabe des Rollouts von Smart-Meter-Gateways (SMGW) hat gravierende Fragen in Bezug auf die weitere Digitalisierung in der Energiewende aufgeworfen. Als Resultat hat das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) in kürzester Zeit eine neue Version der Technischen Richtlinie (TR) 03109-1 erarbeitet,...

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Logo des Projekts „MELANI“.

Schon heute tragen Eigenheime durch Photovoltaikanlagen und Stromspeicher wesentlich zur Energiewende bei. Um das große Ausbaupotential auch in Wohnkomplexen zu nutzen, wird im Forschungsprojekt „MELANI“ unter Mitarbeit der PTB ein System zur gemeinschaftlichen Nutzung von Solaranlagen und Batterien entwickelt.

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Schematische Darstellung (links) und Querschnittsaufnahme (rechts) des Stud-Via-Prozesses

Die Herstellung von Wafern mit mehreren voneinander isolierten Niob-Lagen ermöglicht die Erhöhung der Integrationsdichte von supraleitenden Schaltungen. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen der PTB sehr wichtig. Beim sogenannten „Stud-Via“-Prozess wird hierbei statt einer einzelnen Niob-Lage ein Nb/Al/Nb-Trilayer strukturiert, um die supraleitenden Verbindungen („Vias“) zwischen den...

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Fotos von Schaltungsstrukturen, die diverse Prozessschritte der Flip-Chip-Technologie zeigen

An der PTB wurde eine Flip-Chip-Technologie etabliert, um den zunehmenden Erfordernissen hochintegrierter Quantenschaltungen bezüglich Hybrid-Chip-, Multi-Chip- und Chip-on-Chip-Lösungen zu entsprechen. Diese Technologie ist für diverse Anwendungsfelder von Interesse und birgt großes Innovationspotential, insbesondere für das optisch betriebene AC-Josephson-Spannungsnormal und für die zukünftige...

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REM-Aufnahmen verschiedener THz-Antennen-Arrays

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts „New strategies for the mutual synchronization of very large Josephson junction networks” hat die PTB gemeinsam mit der Universität Tübingen und der Russischen Akademie der Wissenschaften Josephson-Oszillator-Schaltungen mit extrem schnellen Josephson-Kontakten entwickelt, die bei Frequenzen von mehr als 160 GHz...

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REM-Aufnahme vertikaler Schnitt Serienschaltung fünffach gestapelten Josephson-Kontakten

Um die Integrationsdichte und somit die Ausgangsspannung des pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals zu erhöhen, wurde die Herstellungstechnologie für die Schaltungen in der PTB so weiterentwickelt, dass nun bis zu fünf Josephson-Kontakte übereinandergestapelt werden können. Die Ausbeute dieses komplexen Herstellungsprozesses konnte durch Anwendung neuer Technologien deutlich erhöht werden.

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Diagramm Flächeninduktivität gegen Flächenwiderstand On-Chip-Resonatoren Granulierte Aluminium-Elemente

An der PTB wurde ein Herstellungsverfahren für hochinduktive supraleitende Nanodrähte aus sogenanntem „granulierten Aluminium“ implementiert. Es handelt sich dabei um eine mikrostrukturierte Aluminiumschicht, die durch reaktives Bedampfen unter Präsenz von Sauerstoff eine grobkörnige Struktur ausbildet und die elektrischen Eigenschaften einer verteilten Josephson-Induktivität aufweisen kann. Die...

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Diagramm Frequenzspektrum (oben) und Zeitsignal (unten) einer Sinuswelle mit JAWS-Chip synthetisiert

Um die erreichbare synthetisierte Ausgangsspannung des pulsgetriebenen Wechsel (AC)-Spannungsnormals weiter zu erhöhen, hat die PTB breitbandige On-Chip-Leistungsteiler entwickelt und in Reihenschaltungen aus einer großen Anzahl von Josephson-Kontakten integriert. Mit Hilfe der Leistungsteiler lassen sich gleichzeitig zwei oder vier parallele Josephson-Kontakt-Schaltungsarme mittels eines einzigen...

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Foto optimierte mikro- und nanostrukturierter Schaltung

Die Elektronenstrahllithographie wird in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB für die Fertigung einer Vielzahl von mikro- und nanostrukturierten Schaltungstypen eingesetzt, die unter anderem als primäre elektrische Quantennormale verwendet werden. In den letzten Jahren ist die Komplexität und damit die Integrationsdichte der gefertigten Schaltungen stark gestiegen. Es zeigt sich, dass dabei das...

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3D-Spulenssystem

Im Rahmen des TransMeT-Projektes „Rückführbare Kalibriereinrichtung für Vektor-Magnetometer“ (Kooperation mit Matesy GmbH) hat die PTB eine Magnetfeldspule entwickelt und aufgebaut, die beliebige Vektorfelder bis 2 mT Flussdichte mit geringer Unsicherheit im Raum erzeugen kann. Diese Spule ermöglicht zukünftig die kompakte Kalibrierung dreidimensionaler Magnetfeldsensoren.

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Diagramm der magnetischen Phasen von Ferro- Cobalt -Silicium

Im Rahmen des EMPIR-Projekts „TOPS“ wurde in der PTB die thermisch angeregte Magnetisierungsdynamik topologisch geschützter winziger magnetischer Wirbel, sogenannter Skyrmionen, in optischen Experimenten mit Femtosekundenlasern untersucht.

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Schema eines magnetischen Kraftmikroskops

Im Rahmen des von der PTB koordinierten europäischen Forschungsprojekts „NanoMag“ (Nano-scale traceable magnetic field measurements) wurde die erste internationale Norm für nanomagnetische Feldmessungen entwickelt und kürzlich publiziert. Sie beschreibt zuverlässige Kalibrierverfahren zur Rückführung quantitativer magnetischer Feldmessungen mit Ortsauflösung von einigen zehn Nanometern.

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PTB hergestelltes Quanten-Widerstandsnormal aus Graphen

Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung elektrischer Quantennormale aus Graphen ist die zuverlässige Kontrolle der Ladungsträgerdichte. Erst diese ermöglicht es, das Potential von Graphen voll auszuschöpfen und Widerstands- und Impedanznormale zu entwickeln, die bei möglichst kleinen Magnetfeldern betrieben werden können.

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Graphene quantum Hall resistor in the sample holder

For the first time, graphene-based quantum Hall resistance (QHR) devices fabricated at PTB were used to realize and disseminate the ohm, unit of electrical resistance. It was verified at the highest precision level that the transition from the established material system (GaAs) to the new sample material (graphene) shows no difference within the measurement uncertainty.

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Microscopic images of graphene layers

Improvements have been made in the polymer-assisted sublimation growth technique (PASG, based on PTB patent) by spin deposition of a series of well-defined polymer solutions on various SiC substrates. The optimized process is highly efficient and enables excellent reproducibility of high-quality epitaxial monolayer graphene used for quantum Hall effect (QHE) devices in electrical resistance...

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Aufbauschema Phantomleistungsmesssystem für Frequenzen bis 150 kHz

Die elektrische Leistungs- und Energiemessung bei Frequenzen oberhalb von 50 Hz gewinnt durch veränderte und neue Technologien zunehmend an Bedeutung. Beispiele sind hochfrequent taktende Umrichtersysteme zur Steuerung der Einspeisung regenerativer Energien ins Verbrauchernetz oder die Verbrauchsmessung an induktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, welche Leistungsmessungen im Frequenzbereich...

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Logo des EMPIR-Projekts „TEMMT“.

Im Rahmen des Joint Research Project „Traceability for electrical measurements at millimetre-wave and terahertz frequencies for communications and electronics technologies“ (EMPIR 18SIB09 TEMMT) wurde durch die PTB am 21. Juli 2021 ein Online-Workshop als Trainingsveranstaltung für Experten aus der Hochfrequenzmesstechnik durchgeführt. Die Veranstaltung verzeichnete mit 95 internationalen...

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Deckblatt des VDI-Statusreports „Terahertzsysteme und Anwendungsfelder“

Als Teil ihrer umfangreichen Normungs- und Standardisierungsaktivitäten arbeitet die PTB im VDI/VDE-Fachausschuss 8.17 „Terahertzsysteme“ mit. Das Ziel der gemeinsamen Normungsarbeit unter Beteiligung der PTB ist die Erstellung einer technischen Richtlinie, die ein gemeinsames Verständnis der Kenngrößen von Terahertzsystemen ermöglichen soll. Die PTB bringt abteilungsübergreifend ihre umfangreiche...

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Das zweijährige Treffen des Subkomittees „DC and Quantum Metrology“ im technischen Komitee „Electricity and Magnetism“ von EURAMET (TC-EM) wurde am 2. und 3. Juni dieses Jahres erstmals als Online-Veranstaltung durchgeführt. Mit mehr als 90 teilnehmenden Experten aus nationalen Metrologieinstituten Europas, Amerikas, Asiens, sowie aus Australien und Neuseeland war die Beteiligung diesmal besonders...

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Das 318. PTB-Seminar „Aktuelle Fortschritte von Kalibrierverfahren im Nieder- und Hochfrequenzbereich“ fand diesjährig am 5. Mai coronabedingt als Online-Seminar statt. Mit insgesamt 130 Teilnehmern, 90 davon PTB-extern aus den Bereichen akkreditierter Kalibrierlaboratorien und industrieller Messgerätehersteller, stieß die Veranstaltung wie bereits in den vergangenen Jahren erneut auf große...

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JAWS-Chips mit jeweils zwei in Reihe betriebenen Josephson-Schaltungen

Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) können als „quantengenaue“ Generatoren (Source) und Messsysteme (Measurement Unit) für elektrische Gleich- und Wechselspannungssignale eingesetzt werden. JAWS-SMUs sind konventionellen Systemen bezüglich Messunsicherheit und -geschwindigkeit deutlich überlegen und in einem breiten Anwendungsspektrum einsetzbar, so zum Beispiel für Messungen und...

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CPW-Dämpfungsverhalten aus der verbesserten analytischen Modellierung im Vergleich einer 3D-EM-Simulation sowie konventioneller und quasi-analytischer Modellierung

Die PTB hat in Zusammenarbeit mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (Berlin) ein erweitertes analytisches CPW-Modell entwickelt, das eine verbesserte Beschreibung der Strahlungsverluste bei sehr hohen Frequenzen ermöglicht. Die Genauigkeit des neuen Modells wurde durch elektromagnetische 3D-Simulationen validiert und mit Messungen bis 220 GHz überprüft.

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Counting statistics of an error signal recorded by a single-charge detector and Simulation of the underlying “random walks” based on this measurement signal

Manipulating individual electrons with the goal of employing quantum effects offers new possibilities and greater precision in electronics. However, these single-electron circuits are governed by the laws of quantum mechanics, meaning that deviations from error-free operation still occur – albeit (in the best possible scenario) only very rarely. Thus, insights into both the physical origin the and...

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