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Elektrische Quantenmetrologie

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 Synthesizers (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

Die Realisierung der Widerstandseinheit Ohm erfolgt unter Nutzung des Quanten-Hall-Effekts in Halbleitern. Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung ist die Nutzbarmachung neuer Materialien, mit denen der Quanten-Hall-Effekt unter vereinfachten Bedingungen (höhere Temperaturen, niedrigere Magnetfelder) zum Einsatz gebracht werden kann, sowie die Entwicklung von industrietauglichen Messbrücken für die Widerstandsmetrologie.

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Grundlage für die quantenbasierte Darstellung der Spannungseinheit Volt ist der Josephson-Effekt in Supraleitern. Integrierte Schaltungen aus Zehntausenden von Josephson-Elementen erlauben die „quantengenaue“ Erzeugung von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen mit Amplituden bis 10 Volt. Mit hochfrequenten Pulssequenzen getriebene Josephson-Elemente erlauben die präzise Synthese von Wechselspannungen mit beliebigen Wellenformen bei höheren Frequenzen.

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Im seit dem 20. Mai 2019 gültigen revidierten Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Stromstärkeeinheit Ampere über den Wert der Elementarladung e definiert. Für die direkte Realisierung dieser Definition treibt man einzelne Elektronen durch einen Quantenpunkt, der in einem extrem schmalen leitfähigen Kanal mit Hilfe von Steuerelektroden definiert wird. In der PTB werden solche als Einzelelektronen-Pumpen bezeichnete Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien entwickelt. Einzelelektronen-Pumpen liefern einen wichtigen Beitrag zur Darstellung der SI-Basiseinheit Ampere, bieten Potenzial für die Entwicklung einer schrotrauschfreien Elektronik und ermöglichen fundamentale Konsistenztests der elektrischen Quantenmetrologie.

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