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Präzision des „Electron Counting Capacitance Standard“-Experiments weiter gesteigert

10.12.2010

Das in der PTB im Aufbau befindliche „Electron Counting Capacitance Standard“-Experiment (ECCS) zielt auf die Realisierung eines Quantennormals für die elektrische Kapazität ab, mit dessen Hilfe grundlegende Fragestellungen der elektrischen Quantenmetrologie untersucht werden können.
Das Experiment basiert auf dem Einsatz von Einzelelektronen-Schaltungen, mit denen einzelne Elektronen auf die Elektroden eines speziellen Kondensators transferiert und dort gespeichert werden können. Die angestrebte niedrige Unsicherheit bei der Durchführung des Experiments von nur wenigen Teilen in 10 Millionen oder besser erfordert eine entsprechend hohe Präzision in der Bestimmung der Elektronenanzahl und in der Kapazitätsmessung des aufzuladenden Kondensators.
Die in der PTB zu diesem Zweck entwickelten Einzelelektronen-Schaltungen bestehen aus einer speziellen Einzelelektronen-
Pumpe mit fünf ultrakleinen metallischen Tunnelkontakten und einem angekoppelten Einzelelektronen-Elektrometer (s. Bild). Die Einzelelektronen-Pumpe transportiert im Experiment einzelne Elektronen mit einer Taktfrequenz von 2 MHz, und das Einzelelektronen-Elektrometer dient der Kontrolle des Ladungsträgertransports durch Abzählen eventuell auftretender Transferfehler. Durch Verbesserungen des Probenlayouts ist es nun gelungen, parasitäre Koppelkapazitäten innerhalb der Schaltung deutlich zu verringern, wodurch die Unsicherheit beim Einzelelektronen-Transport auf etwa 5 Teile in 10 Millionen gesenkt werden konnte.
Außerdem wurde die Kapazität des Kondensators (Nennwert 1 pF) mit einer in der PTB entwickelten Impedanzmessbrücke mit hoher Präzision auf den Quanten-Hall-Widerstand im Wechselstrombetrieb zurückgeführt: Die in ersten Versuchen erreichte Unsicherheit betrug dabei nur wenige Teile in 100 Millionen.
Die gegenwärtigen Bemühungen im Aufbau des ECCS konzentrieren sich auf die weitere Steigerung der Präzision der Einzelelektronen-Schaltung.


Bild: Prinzip des ECCS-Experiments. Einzelne Ladungsträger werden mit der Einzelelektronen-Pumpe kontrolliert auf die Kontaktfläche transferiert und dort mit dem Einzelelektronen-Elektrometer on-chip nachgewiesen. Der aufzuladende 1 pF-Kondensator kann über einen Nadelkontakt an die Einzelelektronen-Schaltung angeschlossen und aufgeladen werden.
Alle hier dargestellten Komponenten des Experiments werden in einem Mischungskryostaten bei einer Temperatur von 30 mK betrieben.

 

 

 

Ansprechpartner: Hansjörg Scherer
Fachbereich 2.6:  Elektrische Quantenmetrologie