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News from the Annual Report 2016

Messung von quantisierten Strömen

Die Welt der Physik ist im Umbruch: Bis 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Basiseinheiten auf ein solides, unveränderliches Fundament stellen – die Naturkonstanten. Die Einheiten Meter und Sekunde sind diesbezüglich schon vor Jahren vorangeprescht, nun sollen Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere folgen. Die Forschungsarbeiten an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) tragen zum...

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3D-Vektor-NanoSQUID Detektor

Eine vollständige Untersuchung von magnetischen Nanoteilchen erfordert hochempfindliche, dreidimensionale Sensormesstechniken. Die Magnetfeldsensoren sollten dabei nicht viel größer als die Objekte selbst sein. Dank der an der PTB vorhandenen Technologie zur Herstellung von NanoSQUIDs auf Basis von überdämpften Josephson-Kontakten wurde die Entwicklung eines kombinierten Detektors möglich.

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Schaltungsdiagramm Parametrische Verstärker mit Josephson-Kontakten (JPA)

Parametrische Verstärker mit Josephson-Kontakten (JPAs) sind etablierte Werkzeuge für die Quanten-Informationstechnologie, wo besonders ein Bedarf an sehr breitbandigen Systemen besteht. Wir schlagen einen einfachen Wanderwellen-JPA vor, der sich durch hohe Verstärkung, große Bandbreite und geringes Rauschen am Quantenlimit auszeichnet und stellen erste experimentelle Ergebnisse dazu vor.

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Testschaltung zur Mikrowellen-Detektion on-chip

Ein hocheffizienter on-chip Mikrowellenfilter wurde für den Einsatz in Einzelquanten-Schaltungen bei T ~ 100 mK entwickelt. Der Filter besteht aus einer Reihenschaltung mit bis zu 40 Josephson-Interferometern (sog. "SQUIDs") und zeichnet sich durch einen variablen, frequenzabhängigen Unterdrückungsfaktor γ ~ 101…104 für Photonen-Streufelder im Frequenzbereich f ~ 100 GHz bis 200 GHz aus.

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Schematische Darstellung eines RF-SETs

Für die Realisierung des neuen Quantenstandards für das Ampere werden hybride Schaltungen aus halbleitenden Einzelelektronenpumpen und metallischen Einzelelektronentransistoren (SET) entwickelt. Die SETs sind in der Lage, einzelne Elektronen zu detektieren und dienen dazu, die Genauigkeit der Pumpen zu validieren. Durch die Verwendung von RF-SETs kann eine höhere Bandbreite realisiert werden.

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Vierfach gestapelte SNS-Kontakte

Um die Komplexität pulsgetriebener 1 V Josephson-Schaltungen zu verringern, wurden erstmals 4-fach gestapelte Kontakte und längere Ketten eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der Josephson Kontakte auf 14 000 pro Schaltung erhöht werden. Es wurden 4 statt 2 Schaltungen pro Chip integriert. In einem ersten Test wurde auf einem Chip mit 41 600 Kontakten eine Ausgangsspannung von mehr als 0,5 V RMS...

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Layout  JNT-JAWS Chip

Für das in diesem Jahr gestartete Projekt "elektronisches Kelvin" wurden Designs für geeignete Josephson-Schaltungen konzipiert und daraus mehrere Layouts erstellt. Erste Schaltungen wurden gefertigt und können demnächst charakterisiert werden. Mit bereits vorhandenen Schaltungen älteren Designs wurden exemplarisch Wellenformen synthetisiert, die eine synthetische Rauschspannung repräsentieren.

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Schematische Darstellung AC-DC Transfermessung

Bei Kalibrierungen mit Josephson-Wechselspannungen ist bei höheren Frequenzen der Einfluss der Kabel zwischen Chip und Prüfling zu berücksichtigen. Durch Halbierung der Kabellänge auf 0,6 m in einem Mini-Kryostaten gelang es in gemeinsamen Messungen mit dem VSL (Niederlande), die AC-DC Transferdifferenz bei 1 MHz um mehr als eine Größenordnung auf 700 µV/V zu reduzieren.

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PTB gefertigte Kohlenstoffkondensator-Testschaltung

In Zusamenarbeit mit der Universität Bielefeld wird ein substrat-freier Kohlenstoffkondensator im Nanometerbereich (All-Carbon Nano Capacitor, ACNC) entwickelt. Bei diesem umweltfreundlichen Konzept wird Graphen als Elektrodenmaterial und eine Kohlenstoffnanomembran als Dielektrikum verwendet.

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Bandstruktur während des Pump-Prozesses

Einzelelektronenpumpen transportieren einzelne Elektronen mit hoher Frequenz und erzeugen so einen quantisierten Strom. Die PTB ist bereits führend in der Herstellung und Vermessung solcher Einzelelektronenpumpen aus Galliumarsenid. Nun konnte ein neuartiger Typ einer Einzelelektronenpumpe durch Nutzung einzelner Dotieratome in Silizium-basierten Nanostrukturen realisiert werden.

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helium liquefier and filling station

In May 2016, a helium liquefier was commissioned in the Electricity Division; it now provides the whole of PTB's Braunschweig site with liquid helium during routine operation. The facility especially covers the helium needs for research, development and the use of electric quantum standards. This improved supply reliability also benefits other areas of PTB.

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Zweikanaliger Messaufbau zur Messung von kleinen Stromstärken

Die PTB hat ihren Weltrekord aus dem Vorjahr übertroffen, bei dem elektrische Ströme aus Einzelelektronen-Pumpen mit einem speziellen Messverstärker mit höchster Genauigkeit gemessen wurden. Die neue Bestmarke von 0,16 µA/A relativer Unsicherheit wurde durch Verbesserungen des experimentellen Aufbaus erreicht. Zudem wurde das Ergebnis in einer deutlich verkürzten Messzeit erzielt.

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Graphen weist neben interessanten elektrischen Eigenschaften auch einen Quanten-Hall-Effekt auf, der für die Metrologie von großem Interesse ist, sowohl für die Realisierung der Widerstandseinheit Ohm als auch für die Realisierung der Kapazitätseinheit Farad. Eine an der PTB für herkömmliche GaAs-Proben entwickelte Schirmungsmethode wurde nun auch erfolgreich mit einer Graphen-Probe genutzt.

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Messaufbau pulsgetriebene Quadraturbrücke

Die neue Impedanzmessbrücke der PTB nutzt spektral reine, quantengenaue Sinusspannungen, die von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) erzeugt werden. Messungen mit dieser Brücke zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit Impedanzmessbrücken klassischer Bauart. Nun wurde diese Messbrücke erstmals genutzt, um ein 10 nF Kapazitätsnormal direkt auf den Quanten-Hall Widerstand zurückzuführen.

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Messaufbau zur Kalibrierung von Strommesswiderständen mit simultaner Spannungsmessung

Die geringere Messunsicherheit neuer AC-DC-Strommesswiderstände wird nur erreicht, wenn auch ihr Widerstand bei Gleichstrom genau bestimmt wird. Da Widerstandsmessbrücken bei hohen Stromstärken dafür ungeeignet sind, wurde ein Verfahren entwickelt, das eine erweiterte Kalibrier-Unsicherheit von 3.10-6 erreicht. Nach weiterer Optimierung werden damit Werte < 1.10-6 möglich sein.

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New calibration transformer

For calibration of bridge standards, the conversion to an improved measuring setup has been successfully completed. The improved measuring setup allows bridge standards to be calibrated in a frequency range from 225 Hz to 5 kHz with significantly reduced calibration effort. Compared to the previously used calibration setup, this measuring setup provides equally small uncertainties for...

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Dynamic Bridge Standard

An enhanced dynamic bridge standard for the calibration of dynamic bridge amplifiers has been issued to the "Acoustics and Dynamics" department of the "Mechanics and Acoustics" division. With this standard, this department will be able to develop calibration services for frequency-dependent sinusoidal signals and for particular signal forms – for example for a dynamic signal with a constant bias...

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Referenzantennenfreifeld der PTB

Zusammen mit der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg werden Fehlereinflüsse bei der Kalibrierung von Antennen auf Freifeldmessplätzen untersucht. Dabei sollen Messunsicherheitsbeiträge und ihre Auswirkungen sowohl auf die Abnahmemessung des Freifeldes als auch auf die eigentliche Antennen-Kalibrierung quantifiziert werden, um eine weitere Optimierung von Freifeldmessplätzen zu ermöglichen.

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Antennenscanner in der Absorberhalle der PTB

Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit wurden neue Verfahren zur robusten Schätzung der Lage des Phasenzentrums und zur Korrektur von Effekten der Mehrwegeausbreitung bei der Antennenkalibrierung implementiert und validiert. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer Antennen-Kalibrierung mit geringer Messunsicherheit, die zukünftig von der PTB angeboten werden soll.

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Hochfrequenzbauteil

Ein aus koaxialen und koplanaren Komponenten bestehendes Hochfrequenz-Bauteil ist erstmalig mit zwei völlig unterschiedlichen Netzwerkanalyse-Verfahren charakterisiert worden. Für Frequenzen im Bereich 10 bis 110 GHz wurde eine gute Übereinstimmung zwischen konventionellen Netzwerkanalysatormessungen im Frequenzbereich und laserbasierten elektrooptischen Messungen im Zeitbereich erzielt.

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Sensor auf Rotationstisch in einer Spule

Die meisten Magnetfeldsonden messen die magnetische Flussdichte nur in einer Richtung oder, wenn sie aus mehreren Einzelsensoren bestehen, jeweils nur in Richtung jedes Einzelsensors. Die exakte Richtung der Einzelsensoren ist aber bislang nur schwer zu bestimmen.  Mit einem neuen Messaufbau kann die exakte Ausrichtung aller Einzelsensoren zueinander nun präzise bestimmt werden.

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Quantenkalibrator

Das AC-Quantenvoltmeter, ein auf dem Josephson-Effekt beruhendes Gleich- und Wechselspannungsmesssystem, wurde bereits früher zu einem industriellen Kalibrierlabor transferiert und dort akkreditiert. Im Rahmen eines Technologietransferprojekts wurde es zu einem Quantenkalibrator weiterentwickelt. Dafür wurden nur in Kalibrierlaboren ohnehin zur Verfügung stehende Geräte eingesetzt.

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Energieflüsse bei einem mehrfach genutzten Speichersystem

Diskrete Messpunkte für elektrische Energie ermöglichen nur die Bestimmung der am jeweiligen Punkt geflossenen Energiemenge. In bestimmten Anwendungsfällen ist es aber notwendig, aus mehreren realen Energiezählern mit Hilfe von Berechnungsvorschriften virtuelle Zählpunkte zu bilden. In der PTB wird derzeit ein rückgeführter Prüfstand für abrechnungsrelevante virtuelle Zählpunkte aufgebaut.

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