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Ampere

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2015
01.04.2016

Die direkte Darstellung der Basiseinheit Ampere im neuen SI erfolgt mit Quantenstromquellen, die einen mit einer Frequenz f getakteten Strom I einzelner Elektronen erzeugen: I = ef. Die PTB entwickelt eine sogenannte selbstreferenzierte Quantenstromquelle. Diese integrierte Quantenschaltung besteht aus in Serie geschalteten Halbleiter-Einzelelektronen- Stromquellen und metallischen Einzelelektronen- Detektoren möglichst hoher Bandbreite.

In der PTB entwickelter Prototyp einer selbstreferenzierten Quantenstromquelle mit vier in Reihe geschalteten Halbleiter-Einzelelektronen-Stromquellen „Einzelelektronen-Pumpen“) und drei metallischen Einzelelektronen-Detektoren.

Mit den Detektoren werden die Fehlereignisse des Einzelelektronen-Transports bestimmt, die aufgrund des stochastischen Charakters des Transportmechanismus unvermeidlich sind. Werden diese Fehler bei der Bestimmung des Stroms berücksichtigt, kann mit der Serienschaltung eine kleinere Unsicherheit erreicht werden als mit einer einzelnen Einzelelektronen-Stromquelle. Ziel der Arbeiten ist die direkte Darstellung des neuen Amperes durch die Erzeugung eines quantisierten Stromes im Bereich von 100 pA mit einer relativen Unsicherheit, die geringer ist als die Unsicherheit der Amperedarstellung im heutigen SI, also etwa 10–7.

Dazu muss die Unsicherheit einer einzelnen Einzelelektronen- Stromquellen im Bereich von 10–6 liegen. Diese Anforderung ist erfüllt, wie kürzlich durch eine direkte Messung des quantisierten Stromes mit einem neu entwickelten hochempfindlichen Stromverstärker gezeigt wurde. Weiterhin muss die Bandbreite der Einzelelektronen-Detektoren auf etwa 100 kHz erhöht werden. Die dazu erforderliche sogenannte RF-SET-Detektionsmethode, bei der ein Einzelelektronen-Transistor in einen Schwingkreis integriert wird, wird zurzeit in der PTB etabliert. Erste RF-SET-Messungen konnten bereits demonstriert werden. Auch die verbesserte Bestimmung des quantisierten Stromes unter Berücksichtigung der gemessenen Fehlereignisse wurde mit einer integrierten Quantenschaltung aus drei Stromquellen und zwei Einzelelektronen-Detektoren demonstriert. Die Detektoren hatten allerdings eine geringe Bandbreite und die Schaltung wurde bei einer Frequenz von 30 Hz betrieben. Zur Erreichung des o. g. Ziels müssen fünf Einzelelektronen-Stromquellen und vier RF-SET-Detektoren in einer Schaltung integriert werden. Das stellt erhebliche Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der zur Schaltungsfertigung eingesetzten Nanotechnologie. An der Optimierung der Fertigungstechnologie wird intensiv gearbeitet.