Logo PTB
Symbolbild "Zeitschriften"

Einzelelektronentransport auf akustischen Oberflächenwellen

In der PTB wurden spezielle Halbleiterbauelemente entwickelt, bei denen einzelne Elektronen mithilfe von akustischen Oberflächenwellen transportiert werden. Das neuartige Bauelement, mit dem Stromstärken bis zu 0,75 nA eingestellt werden konnten, die nur durch die Elementarladung und die angelegte Frequenz bestimmt sind, hat mögliche Anwendungen für ein Stromstärkenormal auf Quantenbasis.

Prinzip des Transports eines einzelnen Elektrons in einer »Tasche«, die durch das sich bewegende elektrostatische Potenzial nahe der Oberfläche eines Halbleiters entsteht.

Für das Ampere, die Einheit der elektrischen Stromstärke und eine der sieben Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems (SI), ist die Rückführung auf Quantennormale ein bisher ungelöstes Problem. Die Arbeiten auf diesem Gebiet konzentrieren sich auf Schaltungen, die einzelne Elektronen nutzen. In diesen Schaltungen stellt ein Elektron der Ladung e, das mit der Frequenz f transportiert wird, einen Strom I = e · f dar.

Große Hoffnung wird in neuartige Technologien gesetzt, mit denen die dargestellten Ströme um Größenordnungen über den wenigen Picoampere liegen, die mit den bisher benutzten Einzelelektronentunnelschaltungen (SET) erreicht wurden. In den von der PTB hergestellten GaAs-Schaltungen erzeugt eine angelegte Hochfrequenz über den piezoelektrischen Effekt eine akustische Oberflächenwelle. Die damit verbundene Modulation des elektrostatischen Potenzials in der Nähe der Oberfläche wirkt für die dort vorhandenen Elektronen wie eine mikroskopische »Tasche«, mit der einzelne Elektronen mit Schallgeschwindigkeit durch eine Einschnürung geführt werden. Der PTB gelang kürzlich ein Durchbruch mit der Herstellung eines Bauteils, mit dem ein Gleichstrom von 0,75 nA mithilfe einer angelegten Frequenz von etwa 4,7 GHz erzeugt werden konnte. Durch Verwendung paralleler Einheiten kann die erreichte Stromstärke in einfacher Weise um etwa eine Größenordnung erhöht werden. Damit ist die Voraussetzung für ein Quantenstromnormal geschaffen, mit dem auch nach der Übertragung in den technologisch wichtigen mA-Bereich metrologisch relevante kleine Unsicherheiten erreichbar sind.