Weltrekord mit Einzelelektronenpumpe

Einzelelektronenpumpen sind nano-strukturierte elektrische Schaltungen, die den getakteten Transport einzelner Ladungsquanten (Elektronen mit Ele-mentarladung e) ermöglichen. In der PTB werden solche Schaltungen auf der Basis von Halbleiter-Heterostrukturen für zukünftige Anwendungen in der Metrologie hergestellt und erforscht. Bei Taktraten f bis in den Gigahertz-Be-reich können gemäß I = e · f quantisierte Stromstärken I von mehr als hundert Pikoampere generiert werden. Einzelelektronenpumpen sind somit aussichtsreiche Kandidaten für Quantenstromquellen, mit denen die Stromstärkeeinheit nach der anstehenden Neudefinition des Ampere in Zukunft realisiert werden könnte (siehe auch PTB-News 2.2014).

Die PTB-Forscher setzten einen im ei-genen Hause entwickelten höchstpräzisen Stromverstärker ein, der rückgeführt kalibriert wird („Ultrastable Low-noise Current Amplifier“, siehe auch PTB-News 1.2015). Er übertrifft die Genauigkeit bislang verfügbarer Pikoamperemeter etwa um das Hundertfache. Der von einer bei f  =  545  MHz betriebenen Einzelelektronenpumpe erzeugte Strom wurde mit dem neuen Instrument in Abhängigkeit von externen Kontrollparametern gemessen. Die relative systematische Messunsicherheit bei diesen Strommessungen betrug nur 1,3 · 10^–7.

Die Abbildung links zeigt die Messergebnisse unter Variation der Spannung an der Steuerelektrode, welche die rechte Barriere des „Quantentopfs“ der Elektronenpumpe ansteuert. Abhängig von der Messdauer pro Punkt wurden statistische Standardmessunsicherheiten von hinab bis zu 6  ·  10^–7 erreicht. Innerhalb eines relativ großen Bereichs von etwa 11 mV wichen die Messwerte weniger als zwei Standardabweichungen vom Wert des Wendepunktes ab. Die Mittelung der Messwerte in diesem Plateaubereich – in der Abbildung als gestrichelter Rahmen eingezeichnet – lieferte schließlich das Endergebnis: Die relative Differenz zwischen generierter Stromstärke und dem quantisierten Nominalwert, also (I - e · f)/(e · f), betrug -0,94  ±  1,94  ·  10^–7. Es wurde somit nachgewiesen, dass die generierte Stromstärke innerhalb einer Gesamtmessunsicherheit von etwa 2 · 10^–7 mit dem quantisierten Erwartungswert e · f übereinstimmt – bei 545 Millionen transferierter Elektronen pro Sekunde entspricht dies einer Unsicherheit von nur rund 100 Elektronen. Das bedeutet eine Verringerung der Messunsicherheit um etwa einen Faktor fünf gegenüber zuvor erreichten Messergebnissen.

Zudem übertrifft die bei dieser „Quanten-Ampere“-Demonstration erreichte Genauigkeit erstmals die bestmögliche experimentelle Darstellung des Ampere durch „klassische“ Experimente im gültigen SI-Einheitensystem: Diese erreicht eine Gesamtmessunsicherheit von 2,7 · 10^–7.