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Eigener Weltrekord verbessert

Stromstärkemessung an Einzelelektronenpumpen mit noch geringerer Messunsicherheit

PTB-News 2.2017
02.05.2017
Besonders interessant für

Metrologieinstitute

Grundlagenforschung

Die PTB hat ihren im Vorjahr aufgestellten Weltrekord übertroffen, bei dem elektrische Ströme mit Einzelelektronenpumpen generiert und deren Quantisierung mit einem speziellen Messverstärker mit höchster Genauigkeit verifiziert wurden. Die neue Bestmarke, ermöglicht durch Verbesserungen des experimentellen Aufbaus, liegt bei einer relativen Messunsicherheit von nur 0,16 μA/A. Zudem wurde das Ergebnis in einer deutlich verkürzten Messzeit erzielt.

Relative Abweichung der von der Einzelelektronenpumpe erzeugten Stromes vom quantisierten Wert I = e · f. Die Messung unter Variation der Steuerspannung (blaue Symbole) dient zur Ermittlung des optimalen Arbeitspunktes, an dem anschließend 21 Messungen durchgeführt wurden (rote Symbole). Die statistische Unsicherheit jedes Messwertes, ermittelt in je einer Stunde Messzeit, entspricht 0,6 μA/A. Der Einsatz zeigt das Histogramm der Messpunkte zusammen mit der entsprechenden Normalverteilung. Durch Mittelung errechnet sich daraus zusammen mit systematischen Unsicherheitsbeiträgen das Gesamtmessergebnis am Arbeitspunkt zu (I/e · f)–1 = (–0,10 ± 0,16) μA/A.

Nanostrukturierte elektrische Schaltungen, die den kontrollierten Transport einzelner Elektronen ermöglichen – sogenannte Einzelelektronenpumpen – können zur Realisierung eines zukünftigen Quanten-Stromnormals eingesetzt werden und sind daher Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten in der PTB. Diese Schaltungen erzeugen elektrische Stromstärken in der Größenordnung von 100 pA, die mithilfe eines eigens zu diesem Zweck in der PTB entwickelten Strom-Spannungswandlers, des Ultrastable Low-noise Current Amplifiers (abgekürzt „ULCA“, siehe PTBNews 1/2015) mit höchster Genauigkeit gemessen werden. Die Transresistanz des ULCA wird mit einem quantisierten Hall-Widerstand kalibriert, wobei eine relative Unsicherheit von weniger als 0,1 μΩ/Ω erreicht wird.

Die Messunsicherheit konnte in einem neuen Experiment nochmals verbessert und damit der Weltrekord aus dem Vorjahr (siehe PTB-News 1/2016) übertroffen werden. Dies gelang durch einen weiterentwickelten Messaufbau, in dem Eingangs- und Ausgangsstrom der Einzelelektronen- Pumpe durch zwei ULCAKanäle in Spannungen konvertiert und deren Differenz unter Verwendung eines Quantennormals (eines „Josephson- Spannungsnormals“) gemessen wurde. Dadurch wurde der Einfluss der systematischen Unsicherheit bei der Spannungsmessung deutlich reduziert. Zudem konnte durch Optimierung der rechnergesteuerten Datenakquisition die Messzeit effektiver ausgenutzt werden.

Die neue Rekordmarke von 0,16 μA/A Messunsicherheit bei der Stromstärke von 96 pA wurde in 21 Stunden Messzeit erreicht. Zum Vergleich: Für den zuvor aufgestellten Rekord von 0,2 μA/A wurde eine Gesamtmesszeit von 95 Stunden benötigt. In beiden Fällen stimmte die von der Einzelelektronenpumpe erzeugte Stromstärke mit dem erwarteten quantisierten Wert I = e · f im Rahmen der Messunsicherheiten überein.

Der PTB ist damit der Nachweis gelungen, dass das „Quanten-Ampere“ mit einer geringeren Messunsicherheit dargestellt werden kann als das „klassische“ Ampere, was einen Meilenstein auf dem Weg zur geplanten Revision des Internationalen Einheitensystems darstellt.

Zudem ermöglichen es die experimentellen Verbesserungen, Einzelelektronenpumpen in deutlich kürzerer Zeit zu charakterisieren – ein bedeutender praktischer Vorteil für den metrologischen Einsatz.

Ansprechpartner

Frank Hohls
Fachbereich 2.5
Halbleiterphysik und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2530
Opens window for sending emailfrank.hohls(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

F. Stein, H. Scherer, T. Gerster, R. Behr, M. Götz, E. Pesel, C. Leicht, N. Ubbelohde, T. Weimann, K. Pierz, H. W. Schumacher, F. Hohls: Robustness of single-electron pumps at sub-ppm current accuracy level. Metrologia 54, 1–8 (2017)