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Quantenbasierte Erzeugung von Wechselstrom-Wellenformen

21.11.2013

Im zukünftigen SI-System wird die Definition der Einheit der Stromstärke durch die Festlegung der Elektronenladung erfolgen. Damit wird eine Einzelelektronenpumpe, die Elektronen im regelmäßigen Takt einer präzisen Uhr Elektron für Elektron transportiert, zu einem idealen Standard der Stromstärke. An der PTB werden aktuell solche präzisen Konstant-Stromquellen auf der Basis von Halbleiter-Nanostrukturen entwickelt und im Hinblick auf immer höhere Genauigkeit optimiert.

Nun wurde an der PTB erstmals auch ein Machbarkeitsnachweis für die direkte Erzeugung eines Wechselstroms mit beliebiger Wellenform durch den getakteten Transfer einzelner Elektronen erbracht. Für der Erzeugung eines quantisierten Gleichstroms wird die Einzelelektronenpumpe mit einem Signal mit einer sehr genau bekannten, zeitlich konstanten Frequenz betrieben. Wird nun die Frequenz zeitlich variiert, so können auch quantisierte Wechselströme auf Basis von Einzelladungseffekten erzeugt werden. In der Abbildung sind die so erzeugten Wechselstrom-Wellenformen für verschiedene Frequenz-Modulationen gezeigt. Der Vergleich mit dem erwarteten Signal ergibt eine gute Übereinstimmung.

Dieses Demonstrationsexperiment eröffnet den Weg, alle Größen der elektrischen Wechselstrommetrologie direkt auf Basis von Quanten-Standards zu realisieren und auch den Wechselstrom direkt im zukünftigen SI-System auf die Elektronenladung zurückzuführen.

 

 

Bild: Links: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Einzelelektronenpumpe mit Beschaltung. Das Bauteil besteht aus einem Halbleiterkanal (grün), auf dem mehrere Metall-Elektroden (gelb) aufgebracht werden. Für den Betrieb werden Spannungen an die Elektroden angelegt und der erzeugte Strom gemessen.
Rechts: Erzeugte quantenbasierte Strom-Wellenformen (blaue Symbole) im Vergleich mit den erwarteten Messsignalen (rote Punkte). Die Sinus-Wellenform hat eine Frequenz fm = 2352 Hz, die Sägezahn-Wellenform hat fm = 326 Hz.

 

Referenz: Journal of Applied Physics 113, 213704 (2013).DOI: 10.1063/1.4807929

 

 

 

 

Ansprechpartner: Frank Hohls
Fachbereich 2.5:  Halbleiterphysik und Magnetismus