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Robuste Einzelelektronenpumpe

Mit Hilfe der Nanotechnik wurde eine neuartige Quanten-Stromquelle realisiert, in der einzelne Elektronen mit externen Spannungspulsen transportiert werden. Das Besondere dieser „Elektronenpumpe“ ist die große Robustheit des physikalischen Transportvorgangs, bei dem die genaue Höhe der treibenden Spannungspulse keine Rolle mehr spielt. Da die Pumpe darüber hinaus nur eine Taktspannung benötigt, ergibt sich erstmals die Möglichkeit, viele Pumpen parallel zu betreiben. Die Stromstärke könnte damit auf ein praktisch nutzbares Niveau erhöht werden.

Mit einer 3 Meter langen Sonde (links von der Bildmitte) wird die Einzelelektronenpumpe in das im Boden versenkte Vakuumsystem geführt, in dem die nötige Betriebstemperatur von 1 Kelvin erzeugt wird.

Das Pumpen einzelner Elektronen wird in der PTB im Hinblick auf ein zukünftiges Quantenstromnormal untersucht, das die elektrische Stromstärke auf die Größe der Elementarladung und auf die Frequenz zurückführt. Ein solches Quanten-Stromnormal muss aber nicht nur eine geringe Unsicherheit aufweisen. Um praktische Relevanz zu haben, muss es auch Stromstärken liefern, die mindestens im Nanoampere-Bereich liegen. Dafür müssten einzelne Elektronen wesentlich schneller getaktet werden als bisher, was jedoch aufgrund eines fundamentalen Zusammenhangs zu einem Verlust der Kontrollierbarkeit und damit zu höherer Unsicherheit führt. Die alternative Strategie, für eine größere Stromstärke viele Pumpen parallel zu betreiben, verbot sich jedoch bisher wegen der hohen Komplexität und geringen Reproduzierbarkeit der einzelnen Pumpen.

Auf der Suche nach einem für die Parallelisierung geeigneten Prinzip wurde nun eine neuartige Quantenschaltung auf der Basis einer Halbleiterstruktur entwickelt. In der Schaltung wird mit nur einer einzigen periodischen Signalspannung pro Takt genau ein Elektron bewegt. Die Höhe der Spannungspulse spielt dabei für den korrekten Betrieb keine Rolle, ähnlich wie bei einem Spender für Süßstoffpillen: Oberhalb eines Mindestdrucks auf den Auslöser wird eine Pille abgegeben, unabhängig vom genauen Auslösedruck. Diese Besonderheit, gepaart mit der Einfachheit der Schaltung, erlaubt es letztlich, viele Pumpen mit gemeinsamem Arbeitsbereich herzustellen und so zu einem Parallelbetrieb zu kommen.

Entsprechende Bauelemente sollen in Zukunft auf einem Chip parallel integriert werden, um praktisch nutzbare Stromstärken zu erzeugen. Dies kann zu einer neuen Definition und Realisierung des Ampere führen.

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