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Hochpräzises pulsgetriebenes AC-Josephson- Spannungsnormal bis 1 V

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2015
01.04.2016

Die Ausgangsspannung eines pulsgetriebenen ACJosephson- Spannungsnormals konnte durch die dreifache Stapelung von Josephson-Kontakten und durch die Serienschaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten auf einen Effektivwert von 1 V erhöht werden. Derartige Spannungsnormale ermöglichen die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet.

Rasterelektronen-Mikroskop-Aufnahmen einer JAWSSchaltung mit einzelnen Details der Schaltung und Foto des auf einem speziellen Chip-Carrier kontaktierten JAWS-Chips.

Wesentliche Komponente eines JAWS sind Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten, die im Reinraumzentrum der PTB basierend auf NbxSi1-x-Barrieren in einem komplexen Mehrlagen- Dünnschicht-Prozess hergestellt werden. Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen können einzelne Schichten angepasster und wohldefinierter Dicke gefertigt werden, wodurch erstmals an der PTB dreifach gestapelte Josephson-Kontakte (d. h. vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten) erfolgreich mit hoher Fertigungsausbeute prozessiert werden konnten. Auf einem Chip von 10 mm × 10 mm sind zwei Schaltungen mit jeweils bis zu 9000 Josephson-Kontakten integriert. Durch Kombination von acht Schaltungen auf vier Chips konnten insgesamt 63 000 Josephson-Kontakte in Serie geschaltet werden. Bei der Erzeugung von Sinuswellen mit einer Ausgangsspannung von 1 V wird eine herausragende spektrale Reinheit (Signal-Rausch-Verhältnis besser als 120 dB) erreicht. In einem (weltweit erstmaligen) Präzisionsvergleich mit einem AC-Quantenvoltmeter konnte eine exzellente Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz von 250 Hz gezeigt werden. Für die Zukunft eröffnen Effektivspannungen von 1 V eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten des JAWS im Bereich der elektrischen Wechselspannungsmetrologie.