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Electrical quantum metrology

Ausgezählt: Elektronen beim Tunnelprozess in einer SET-Schaltung.
Ausgezählt: Elektronen beim Tunnelprozess in einer SET-Schaltung.

Im historischen Kontext betrachtet ist es noch nicht so lange her, dass ein Nicola Tesla ein staunendes Publikum mit kontrollierten Blitzen und geisterhaft erscheinenden Lichteffekten beeindruckte und ein Thomas Alva Edison die sich industrialisierende Welt mit seinen Erfindungen elektrifizierte. Die Entdeckung und technische Nutzbarmachung der Elektrizität nahm Ende des 19. Jahrhunderts Fahrt auf und eroberte zunehmend klassisches technisches Terrain, bis – in den späten 1940er Jahren – in den Bell Labs in New Jersey der Transistor erfunden wurde. Mit ihm bekam die Elektrizität erstmals eine quantenmechanische Ausprägung.

  • Internationale Einheiten: Wer heute elektrische Ströme, Spannungen oder Widerstände auf bestmögliche Weise messen möchte, nutzt dafür quantenmechanische Effekte aus. Bereits seit vielen Jahren werden diese Messgrößen (die nach einigen der Pioniere der Elektrizität benannt sind: u. a. André Marie Ampère, Georg Simon Ohm und Alessandro Volta) in den Nationalen Metrologieinstituten mit Quanteneffekten dargestellt. Mit der grundlegenden Umstellung des Internationalen Einheitensystems (SI) mithilfe von Naturkonstanten basiert nunmehr unser gesamtes Einheitensystem (Ausnahme: die Candela) auf quantenmechanischen Prinzipien.
  • Praktische Quantennormale: die elektrischen Quantennormale lange Jahre nur in hochspezialisierten Laboratorien der Metrologie zuhause, so gelingt nach und nach der Transferprozess in die Praxis. An der PTB wurde so zum Beispiel ein programmierbares „Quantenvoltmeter“ kommerzialisiert und damit für die Wirtschaft verfügbar gemacht. Als universelles Werkzeug, um Spannungen zu erzeugen und zu messen, wurden Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) entwickelt – für beliebige und spektral reine Wechselspannungen.

In der Welt der elektrischen Quantenmetrologie gehört die PTB zu den internationalen Top-Adressen – und das durchgängig seit vielen Jahrzehnten. Hier erarbeiten Metrologen die wissenschaftlichen Grundlagen für Höchstpräzisionsmessungen der elektrischen Größen, fertigen und charakterisieren Spezialisten die dazu notwendigen Hardwarekomponenten im PTB-eigenen Reinraumzentrum und werden Brücken in die industrielle Praxis geschlagen.

Geht es um die Widerstandseinheit Ohm, so schränkt man die Bewegungsfreiheit der Elektronen in einem Halbleiter ein und nutzt die daraus resultierende, sprunghafte Änderung des Widerstands in einem angelegten Magnetfeld aus – der sogenannte Quanten-Hall-Effekt, für den Klaus von Klitzing den Physiknobelpreis erhielt, und der in PTB von der „ersten Stunde an“ metrologisch eingesetzt wurde. Geht es um Spannungen, so verwendet man hier den Josephson-Effekt der Supraleitung, bei dem sich immer zwei Elektronen zu einem Pärchen zusammenfinden. Und geht es schließlich um Stromstärken, so gelingt es in der PTB, die den Strom tragenden Elektronen einzeln zu zählen, während diese – ganz Quantenteilchen – klassisch unüberwindbare Barrieren durchtunneln.

FachinformationenFachinformationen

The Electrical Quantum Metrology Department develops quantum-based methods and systems for the traceability of electric base units to natural constants. Most of the activities are pursued together with external partners within the scope of cooperation projects. These projects aim to further develop and simplify the complex setups to realize the quantum-based units. For one thing, this is beneficial to service and customer-oriented areas of metrology institutes such as PTB; for another, it allows quantum-based standards to be used in industrial calibration laboratories.

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The quantum-based realization of the unit of voltage, the volt, is based on the Josephson effect in superconductors. Integrated circuits made of tens of thousands of Josephson junctions allow the generation of DC voltages with "quantum accuracy" and low-frequency AC voltages with amplitudes of up to 10 volts. Josephson junctions driven by high-frequency pulse sequences allow AC voltages to be precisely synthesized with arbitrary wave forms at higher frequencies.

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In the new International System of Units (SI), which came into force on 20 May 2019, the unit of electric current, the ampere, is defined based on the value of the elementary charge e. To directly realize this definition, single electrons are transported through a quantum dot that is defined by means of gate electrodes in an extremely narrow conductor. At PTB, components known as single-electron pumps are being developed on the basis of semiconductor materials. Single-electron pumps represent an important contribution to the realization of the SI base unit ampere offer a good potential for developing shot-noise-free electronics and allow fundamental consistency tests in electrical quantum metrology.

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