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AC-Quanten-Hall-Widerstand noch besser als erwartet

26.11.2010

Beim Quanten-Hall-Effekt, der bei tiefen Temperaturen und in starken Magnetfeldern üblicherweise mit Gleichstrom (DC) gemessen wird, nimmt der Hall-Widerstand quantisierte Werte an, die nur von Fundamentalkonstanten abhängen. Der DC-Quanten-Hall-Widerstand kann deshalb mit einer typischen Genauigkeit von wenigen nΩ/Ω, im besten Fall sogar nur 0,3 nΩ/Ω, reproduziert werden und dient seit 1990 zur Bewahrung und Realisierung der elektrischen Widerstandseinheit Ohm.
Die Anwendung, den Quanten-Hall-Widerstand auch mit Wechselstrom (AC) bei einer Frequenz von etwa 1 kHz zu messen und damit die Kapazitätseinheit Farad darzustellen, war in der Vergangenheit durch unerwünschte kapazitive Effekte von einigen Hundert nΩ/Ω 
begrenzt. Mit einer einfachen, aber wirkungsvollen Schirmungstechnik ist es vor zwei Jahren gelungen, diese Effekte weitgehend zu eliminieren. Aufgrund einer Abschätzung wurden aber noch sehr geringe Rest-Effekte in der Größenordnung von etwa 3 nΩ/Ω erwartet. Eine genauere Analyse der experimentellen Daten, unterstützt durch ein elektrotechnisches Modell, hat nun gezeigt, dass die Unsicherheit der Schirmungstechnik bei 1 kHz mit 0,5 nΩ/Ω in Wirklichkeit deutlich geringer ist als die erste Abschätzung und auch deutlich kleiner als die beste Messgenauigkeit von 1,3 nΩ/Ω, mit der sie erfasst werden kann. Damit ist der AC-Quanten-Hall-Widerstand genauso präzise und reproduzierbar wie der DC-Quanten-Hall-Widerstand.
Dieser Fortschritt erlaubt es, alle Vorteile dieses Quanten-Effekts zu nutzen und einen Quanten-Standard der Kapazität zu realisieren, der allen herkömmlichen Impedanz-Artefakten überlegen ist.


Ansprechpartner: Jürgen Schurr
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie