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Durchbruch: erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzielt

Pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt für die Erzeugung beliebiger Wellenformen höchster Güte

PTB-News 2.2016
05.04.2016
Besonders interessant für
  • Metrologieinstitute
  • Kalibrierlaboratorien
  • Hersteller von elektrischen Präzisionsmessgeräten

In der PTB konnte die Ausgangsspannung eines pulsgetriebenen ACJosephson- Spannungsnormals durch Verwendung dreifach gestapelter Josephson- Kontakte und durch Serienschaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten signifikant erhöht werden: Lagen zuvor erzielte maximale Ausgangsspannungen bei etwa 300 mV Effektivwert, so wurde nun erstmals der für metrologische Anwendungen wichtige Richtwert von 1 Volt erreicht. Ein Präzisionsvergleich mit einem AC-Quantenvoltmeter zeigte bei einer Frequenz von 250 Hz eine exzellente Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V. Die erzielte Erhöhung der Effektivspannung eröffnet eine Reihe von neuen Anwendungsmöglichkeiten.

Oben links: Chip mit zwei JAWS-Schaltungen (mit insgesamt etwa 18 000 integrierten Josephson-Kontakten). Mitte: Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer JAWS-Schaltung. Oben rechts und unten links: Detailvergrößerungen der Schaltung.

Pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormale ermöglichen die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) bezeichnet. Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Josephson-Kontakte, wie sie im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Dünnschichtprozess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet, deren mittlere, sehr dünne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt. Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen können Schichten wohldefinierter Dicke gefertigt werden. Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten – d. h. vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in JAWSSchaltungen (also vier Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten. Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schaltungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt. Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragende spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhältnis besser als 120 dB).

Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch Opens internal link in current windowPTBNews 2013/2) diente dazu, die Genauigkeit der so erzeugten Sinuswellen zu überprüfen. Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unterschiedlicher Josephson-Spannungsnormale bei 1 Volt über den Frequenzbereich von 30 Hz bis 1,5 kHz durchgeführt. Die „Quantengenauigkeit“ des neuen pulsgetriebenen 1 Volt-JAWS-Systems ließ sich mit einer exzellenten Übereinstimmung von (3,5 ± 11,7) nV/V bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen. Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eröffnet für die Zukunft eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten des JAWS im Bereich der elektrischen Wechselspannungsmetrologie, zum Beispiel für die Kalibrierung von Messgeräten, Analog-Digital- bzw. Digital- Analog-Umsetzern, AC-DC-Normalen, Spannungsteilern oder Impedanznormalen.

 

 

Vorteile

 

 

Ansprechpartner

Oliver Kieler
Fachbereich 2.4 Quantenelektronik
(0531) 592-1623
oliver.kieler(at)ptb.de

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung

R. Behr, O. Kieler, J. Lee, S. Bauer, L. Palafox, J. Kohlmann: Direct comparison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter. Metrologia 52, 528–537 (2015)

doi:10.1088/0026-1394/52/4/528