News from the Annual Report 2015

The movement of charge carriers perpendicular to an electric driving field – even without a magnetic field – constitutes one of the most intriguing properties of carriers in solids. This anomalous velocity is at the origin of fascinating physical phenomena – with the spin Hall effect and the anomalous Hall effect being two prominent examples – and might be important for future spintronic...

Die hohe spektrale Reinheit pulsgetriebener Josephson-Schaltungen erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen. Die Synthese quantengenauer, reiner Sinuswellen soll an der PTB genutzt werden, eine universelle Impedanzmessbrücke zu realisieren, die in Kombination mit dem Quanten-Hall-Effekt eine quanten-basierte Darstellung der Kapazitätseinheit ermöglicht.

Vector network analyzers (VNA) are among the most precise high-frequency measurement devices available today. Due to continuous development within the last decades VNAs are usable up to frequencies of 1 terahertz (10¹² Hz) and complex error correction algorithms exist. However, VNAs are very expensive and require multiple frequency extenders in order to cover a wide frequency range. At the...

Magnetic nanostructures – or rather: the interaction between charge, spin and current flow as a function of a temperature gradient in such structures – this is what the fast growing research area named "spin caloritronics" deals with. And this area of research has already come up with a number of newly discovered interesting effects and promising applications. Scientists from the...

Single-electron pumps are promising candidates for the realisation of a future quantum current standard and subject of intense metrological research. Using a novel, highly accurate current amplifier PTB researchers have succeeded in verifying the quantisation of a current of the order of 100 pA sourced by a single-electron pump with unmatched accuracy: the current agreed with the expected...

Die PTB hat mit dem Oldenburger Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Informatik OFFIS e.V. einen Kooperationsvertrag abgeschlossen, um gemeinsam einen Beitrag zur Digitalisierung der Energiewende zu leisten. Gegenstand der Vereinbarung ist die Einführung von Datenformaten und –technologien in Deutschland, die auf dem amerikanischen Green-Button-Standard basieren.

An intercomparison of Electric Field Strength Measurements was completed. The intercomparison was organized in the frame of the German Calibration Service (DKD) and the results and conclusions have been submitted to the Kleinheubacher Tagung 2015 of the Union Radio Scientifique Internationale (U.R.S.I.).

The Electricity Division of the PTB organized the 291^st PTB seminar "Recent advances of calibration procedures in the low and high frequency range" on April 29, 2015. The seminar addressed the needs of practitioners in the field of electrical measurements and provided information on the recent advances of the field. As many as 141 people attended the seminar, which testifies to the great value...

The planned shut-down of nuclear power plants and the reduced use of fossil-fuel energy require a massive installation of renewable energy sources in the electrical power  grid of Germany. Therefore, Germany aims to install as many new wind turbines (WT) as possible or to repower older WT with generators with higher efficiency, both on- and off-shore. During the approval procedure of WT it has to...

The "Ultrastable Low-noise Current Amplifier"(ULCA), developed at PTB and being commercially available soon, allows the traceable measurement and generation of small electrical dc currents at an outstanding level of precision. 

Die Ausgangsspannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals konnte durch die dreifache Stapelung von Josephson-Kontakten und durch die Serienschaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten auf einen Effektivwert von 1 V erhöht werden. In einem Präzisionsvergleich mit einem AC-Quantenvoltmeter konnte eine exzellente Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz...

Nichtlineare Mikrowellen-Resonanzschaltungen ermöglichen mit Hilfe von Bifurkationseffekten die Detektion von sehr schwachen elektrischen Signalen. Es wurden supraleitende Mikrowellenresonatoren mit darin enthaltenen SQUIDs entwickelt und die nichtlinearen Eigenschaften der Josephson-Induktivität L_J genutzt. Durch Anregung des Resonators bei der zweifachen Resonanzfrequenz konnte der...

Für den Einsatz bei 15mK wurde eine kombinierte Mikrowellenschaltung entwickelt, die sowohl eine Josephson-Oszillationsquelle als auch einen SET Mikrowellendetektor (engl.: Single Electron Tunneling ) enthält. Beide Schaltungsteile befinden sich auf einem Chip und sind miteinander gekoppelt. Das Ziel ist es, einen Detektor für einzelne Mikrowellenphotonen aufzubauen und zu kalibrieren, der zur...

Einzelelektronentransistoren (SETs) sind hochempfindliche Elektrometer, die z.B. in Einzelektronenschaltungen Verwendung finden. Eine derartige Schaltung ist die selbst-referenzierte Quantenstromquelle der PTB, in der SETs zur Detektion der Fehler von Einzel-elektronenpumpen genutzt werden. Für die Integration der SETs mit Halbleiterpumpen war es notwendig, ein neues Herstellungsverfahren zu...

Komplexe Carrier-Chips für die Flip-Chip-Kontaktierung von schnellen Photodioden wurden entworfen und im Reinraum der PTB hergestellt. Auf einem Carrier-Chip lassen sich acht Photodioden integrieren, um zwei JAWS-Schaltungen mit optisch erzeugten Pulsen zu betreiben. Die Arbeiten wurden im Rahmen des EMRP-Projekts „Q-WAVE“ in enger Kooperation mit den Projektpartnern NPL (Großbritannien) und JV...

Für Untersuchungen von magnetischen Nanopartikeln (MNP) wurden NanoSQUIDs mit Abmessungen der Josephson-Kontakte von 90 nm x 90 nm (Typ A) und 150 nm x 150 nm (Typ B) mit einem geringen Kontaktabstand von 100 nm bzw. 60 nm hergestellt und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Magnetfeldresistenz mit sinkenden geometrischen Abmessungen der NanoSQUIDs zunimmt, was für die geplanten...

Nanomagnetische Logik (NML) Schaltungen sind eine vielversprechende Alternative für das Design integrierter Logik-Schalt­kreise. Sie versprechen einen niedrigen Energieverbrauch und das dauerhafte Speichern der einmal geschriebenen Information. Bei der NML werden nano­skalige Magnetstrukturen über ihre magnetischen Felder miteinander gekoppelt und so Logikgatter realisiert. An der PTB wurde nun...

Theoretische Berechnungen sagen voraus, dass ein Temperaturgradient in magnetischen Tunnelstrukturen zu einem sogenannten thermischen Spin-Transfer-Torque (TSTT) führt. In einem Experiment an der PTB wurde nun erstmals die Änderung der Magnetisierungsdynamik durch einen thermischen Gradienten nachgewiesen. Die gemessenen Änderungen zeigen die für TSTT zu erwartenden Charakteristika.

Eine glattere Oberfläche des Substrats verbessert das Wachstum von Graphenfilmen, die zukünftig als Widerstands-Quantennormal genutzt werden sollen.

HF-Reflexionsmessungen an einem supraleitenden Einzelelektronentransistor (SET) ermöglichen eine sensitive Ladungsdetektion einzelner Elektronen, die von einer Einzelelektronenquelle emittiert werden.

Mit Hilfe von einzelnen Dotieratomen in Silizium-basierten Nanostrukturen können neue Typen von Einzelelektronenpumpen realisiert werden.

Graphen, eine einlagige kristalline Schicht von Kohlenstoff-Atomen, ist ein vielversprechendes Material für die Quanten-Hall-Widerstandsmetrologie mit Gleich- und Wechselstrom. Im Hinblick auf diese Anwendung wurde das 1/f-Rauschen von epitaktischem Graphen bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern untersucht.

The Swedish national measurement institute SP and PTB compared their novel impedance bridges, which are based on Josephson junction arrays.

Zunehmende Anforderungen von Kunden, Strommesswiderstände mit beliebigen Nennwerten mit einer erweiterten Unsicherheit von weniger als 1×10^-6 zu kalibrieren, scheitern bisher an der Kurzzeitstabilität von Stromquellen, die nur bei einigen 10^-6 liegt. Durch Modifikationen der bestehenden Messeinrichtung kann der Einfluss der mangelnden Stabilität stark reduziert werden.

Das PTB Angebot für die Kalibrierung von Brückennormalen für Dehnungsmessstreifen (DMS) wurde um eine kostengünstige Substitutionsmethode erweitert. Die neue Dienstleistung ermöglicht die Abdeckung eines größeren Parameterbereiches mit deutlich erhöhter Anzahl von Kalibrierpunkten bei nur geringfügig erhöhter Messunsicherheit.

Das Dienstleistungsangebot für die Weitergabe der Größen Transferdifferenz bei AC-DC-Spannung und -Stromstärke wurde durch die Entwicklung und Inbetriebnahme eines Messplatzes zur Kalibrierung von Kalibratoren verbessert.

Bedingt durch die zunehmende Arbeitsgeschwindigkeit moderner elektronischer Geräte werden zuverlässige Charakterisierungsmethoden für integrierte Schaltungen und Bauelemente bis in den Mikrowellenbereich benötigt. Bei planaren Schaltungen werden dafür in der Regel On-Wafer-Streuparametermessungen durchgeführt, deren Unsicherheiten bisher allerdings weitgehend unbekannt sind. Ziel des Projekts ist...

Im Rahmen der Erneuerung und Weiterentwicklung von Hochspannungs-messeinrichtungen wurde ein neues Präzisionsmesssystem für hohe Wechselspannungen bis 800 kV und Frequenzen von 10 Hz bis 400 Hz entwickelt und aufgebaut. Das System basiert auf der Erfassung des Ladestroms von Hochspannungsdruckgaskondensatoren und der Konvertierung dieses Stromes in ein digitales Spannungssignal.

Elektrisch betriebene Busse mit induktiven Ladesystemen werden derzeit vielerorts im öffentlichen Personennahverkehr erprobt. Induktive Energieübertragungsverfahren ermöglichen es, die Akkumulatoren der Busse innerhalb der üblichen Haltezeiten auf- bzw. nachzuladen.  Die dabei auftretenden magnetischen Streufelder müssen unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte liegen, um gesundheitliche Schäden der...

Die derzeit im Bereich der Prüfung und Kalibrierung von Normalbürden für Messwandler eingesetzte Bürdenmesseinrichtung ist vollständig modernisiert und in den Laborbetrieb überführt worden. Dazu wurde ein neuartiger mikrokontroller-geregelter Verstärker zur Prüfgrößenerzeugung mit einer Ausgangsleistung von 700 VA entwickelt.

An der PTB wurde erstmals eine zeitlich rückgeführte Messeinrichtung erstellt, die es ermöglicht die Latenzzeiten eines modernen elektronischen Elektrizitätszählers mit integriertem Kommunikationsadapter zu bestimmen. Hierbei können sowohl die Latenzzeit der digitalen Kommunikation mit einem Smart-Meter-Gateway als auch die Latenz ermittelt werden, die beim Erfassen der analogen Eingangsgrößen am...

In May 2015 the Joint Research Project “Microwave and terahertz metrology for homeland security (THz Security)“ was completed successfully. In the project PTB cooperated with five other metrology institutes and partners from industry and universities on the traceability of measurands in the THz frequency region.

PTB hosts kick-off meeting with two days of hands-on training sessions on six different AC quantum voltage standards.