Einzelelektronenströme nachgezählt
Einzelelektronenpumpen ermöglichen die Erzeugung eines Stromes durch kontrollierten Einfang und Transport einzelner Elektronen. Der PTB gelang es nun erstmals, die Einfangstatistik einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe durch Nachweis einzelner Elektronen mit einer speziellen Detektorschaltung zu überprüfen.
Im zukünftigen SI-System sollen die physikalischen Einheiten mit Hilfe elementarer Naturkonstanten wie der Planck-Konstante h oder der Elektronenladung e festgelegt werden. Die Basiseinheit der elektrischen Stromstärke, das Ampere, kann dann über eine sogenannte Einzelelektronenpumpe realisiert werden. Die Einzelelektronenpumpe besteht aus einer winzigen halbleitenden Insel mit zwei Zuleitungen. Im Pumpbetrieb wird zunächst ein Elektron von links von der einen Zuleitung auf die Insel geladen und anschließend nach rechts in die andere Zuleitung ausgeworfen. Wird dieser Vorgang periodisch mit der Taktfrequenz ƒ wiederholt, so entsteht ein Strom I = eƒ. Der Strom ist somit nur noch durch die Naturkonstante der Elektronenladung e und die Taktfrequenz ƒ bestimmt. Halbleiterbasierte Einzelelektronenpumpen gelten aktuell als die vielversprechendsten Kandidaten für die zukünftige Realisierung des Ampere.
Bisher wurde zur Charakterisierung einer solchen Einzelelektronenpumpe die Pumpe mit einer gegebenen Frequenz f kontinuierlich betrieben und der erzeugte Strom möglichst genau gemessen. Bei dieser Art der Messung wird aber stets über sehr viele Taktzyklen gemittelt, und die Informationen zu einzelnen, selten auftretenden Pumpfehlern gehen verloren. Die tatsächliche Anzahl dieser Pumpfehler ist für metrologische Anwendungen allerdings von entscheidender Bedeutung. Im Berichtsjahr konnte von der PTB erstmals eine Detektorschaltung zusammen mit Einzelelektronenpumpen auf einem Chip integriert und getestet werden (Bild). Mit der Detektorschaltung war es möglich, einzelne Fehler solcher Pumpen nachzuweisen und zu analysieren.
Die Detektorschaltung basiert auf sogenannten Einzelelektronendetektoren. Diese Detektoren reagieren so empfindlich auf elektrische Ladungen, dass sie sogar das einzelne, pro Taktzyklus von der Pumpe eingefangene und transportierte Elektron eindeutig nachweisen können. Mithilfe dieser Detektionsmethode wurde nun die Fehlerrate der Pumpe in Abhängigkeit verschiedener äußerer Parameter exakt vermessen. Der Vergleich der gemessenen Fehlerrate mit theoretischen Vorhersagen ergab eine hervorragende Übereinstimmung und belegte damit die Gültigkeit des verwendeten Modells. Zudem zeigte sich, dass unter den gegebenen Messbedingungen die thermische Verteilung der Elektronen auf der Insel keinen signifikanten Einfluss auf die Fehlerrate hat. Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für die zukünftige Entwicklung eines halbleiterbasierten Einzelelektronen-Stromstandards.