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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2006

Grundlagen der Metrologie

Für einen Synthesizer beliebiger AC-Wellenformen wurden komplexe zirkulare RSFQ-Schieberegisterschaltungen (bis zu 128-Bit) hergestellt. Zur Anwendung kam die 4 µm Nb/Al-AlxOy/Nb SIS (S: Supraleiter, I: Isolator) Trilayer-Technologie mit extern geshunteten Josephsonelementen, deren kritische Stromdichte jC = 1 kA/cm2 betrug. Die Schieberegister dienen als lokale Speicher im Aufbau eines...

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Es wurde ein neues Schaltungskonzept entwickelt, in dem supraleitende Phasenschieberelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen integriert werden. Die Phasenschieberelemente wurden auf der Basis supraleitender Schleifen aus Nb gebaut, die durch eine kleine Zahl eingefrorener Flussquanten eine definiert einstellbare Verschiebung der Phase in der Stromstärke-Phasen-Beziehung...

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Quantenzustände reagieren unvorstellbar empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Um festkörperbasierte Quantenbits mit der "äußeren Welt" zu verbinden, bieten sich Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen als effizientes Interface zur Quanteninformationsverarbeitung zwischen den Quanten- und klassischen Bereichen supraleitender Qubit-Schaltungsarchitekturen an. Die Integration von Rapid...

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Ein Vorschlag zur Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenformen basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Folge von Pulsen anstelle einer Mikrowelle mit fester Frequenz betrieben werden. Die Ausgangsspannung dieses Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers (JAWS) ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Eine wesentliche Komponente des...

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Zunehmendes Interesse an hochgenauen AC-Spannungen hat zu verschiedenen Entwicklungen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Reihenschaltungen auch für diese Anwendungen einzusetzen. Reihenschaltungen aus überdämpften Josephson-Kontakten mit einer binären Teilung für Spannungen bis 1 V werden bereits für verschiedene Anwendungen im Frequenzbereich bis etwa 1 kHz eingesetzt. Zur weiteren...

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Die PTB ist seit mehreren Jahren in einem Verbundprojekt tätig, dessen Ziel die Entwicklung von organischen Festkörperlasern ist. Die Aufgabe besteht in der Herstellung von Gitterstrukturen, die als Resonatoren für die eigentlichen Laser benötigt werden. Hierbei kommen oxidierte Siliziumwafer zum Einsatz. In die vorhandene SiO2-Schicht wird die Struktur mittels Elektronenstrahllithographie und...

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Zinkoxid (ZnO) ist ein vielversprechendes Material für optoelektronische Schaltungen. Um Nanodrähte aus ZnO elektrisch charakterisieren zu können, wurde ein Verfahren entwickelt, statistisch verteilte Nanodrähte mittels Elektronenstrahllithographie und eines Aufdampfprozesses zu kontaktieren. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Waag am Institut für Halbleitertechnik der...

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Supraleitende Schaltkreise, die auf kleinen Josephson-Tunnelkontakten und dem Tunneln einzelner Cooper-Paare basieren, sind viel versprechende Kandidaten für gezielt manipulierbare quantenmechanische Zweizustands-Systeme, so genannte Quantenbits (Qubits). Ihre Wirkungsweise als Qubit beruht auf der kohärenten Superposition von makroskopischen Quantenzuständen, wobei allerdings das Tunneln...

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Das Verhalten eines herkömmlichen Josephson-Kontakts kann bekanntlich mit einem nichtlinearen reaktiven Element beschrieben werden - der so genannten Josephson-InduktivitätLJ(φ), die periodisch (Periode 2π) von der Phasendifferenz φ abhängt. In dem kleinen Josephson-Kontakt, der die Tunnelung einzelner Cooper-Paare ermöglicht, ist die Phase allerdings bedeutungslos und der Kontakt lässt sich als...

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Untersucht werden die elektrischen Transporteigenschaften eines langen Josephson-Junction-Arrays mit kleinen Al/AlOx/Al-Tunnelkontakten (Bild 1), das mit hochohmigen Chrom(Cr)-Vorwiderständen gebiast ist. Die bei tiefen Temperaturen gemessenen Strom-Spannungskennlinien (Bild 2) zeigen einen Bereich im negativen differentiellen Widerstand, der auf die Anwesenheit und Dominanz der so genannten...

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Für die Entwicklung eines Kapazitätsnormales auf der Basis von Einzelelektronen-Schaltungen im Fachbereich 2.6 wurde damit begonnen, das Herstellungsverfahren für eine 5-Kontakt-SET-Pumpe (Single-Electron-Tunneling) auf Quarzglassubstrate zu übertragen. Die Notwendigkeit dazu ergibt sich aus den Vorteilen für den Betrieb der Gesamtschaltung durch die wesentlich kleinere dielektrische Konstante....

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In Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen wurden die magnetischen Eigenschaften von lithographisch hergestellten hartmagnetischen CoPt-Quadraten untersucht, die in eine weichmagnetische Permalloy-Matrix eingebettet sind. Solche künstlichen Zweiphasenmagnete sind ein Modellsystem für eine Vielzahl technologisch interessanter mehrphasiger magnetischer Materialien und bieten die Möglichkeit,...

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Mit dem Ziel die Integrationsdichte von parallelgeschalteten Quanten-Hall-Widerstandsnormalen zu erhöhen, wurden erste Tests an speziellen Halbleiterproben vorgenommen, die zwei übereinander liegende elektrische Transportkanäle enthalten.
Die Einheit des elektrischen Widerstandes, Ohm (Ω), wird mit Hilfe eines makroskopischen Quanteneffektes, des Quanten-Hall-Effekts, reproduziert. An einer...

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Experimente zum Pumpen einzelner Elektronen durch künstliche Moleküle mit Hilfe akustischer Oberflächenwellen weisen auf neuartige physikalische Effekte hin.
Mit Hilfe akustischer Oberflächenwellen lassen sich einzelne Elektronen mit hoher Taktrate von einigen GHz durch Halbleiterquantenpunkte pumpen. Dieser Effekt wird in der PTB in Hinblick auf ein zukünftiges Stromnormal untersucht. Im Rahmen...

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Die Erzeugung von Strömen in Halbleiterstrukturen unter Verwendung von rein optischen Methoden hat in den letzten Jahren viel Beachtung gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass mit solchen Techniken relativ einfach spin-polarisierte Ströme und reine Spinströme erzeugt werden können, was eine Grundvoraussetzung für das neue Forschungsgebiet der Spintronik ist. Im einfachsten Fall werden hierzu...

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Die aktuelle Weiterentwicklung der binär geteilten 10 V Josephson Reihenschaltungen mit etwa 70000 Kontakten hat zu einer deutlichen Verbesserung der Arbeitsparameter geführt. Mit der erreichten Stufenbreite von 0,6 mA (siehe Nachricht "Programmierbare 10-V-SINIS-Schaltungen für AC-Anwendungen") sind die Schaltungen jetzt für die Wechselspannungssynthese und -messung auch bei höheren Spannungen...

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Innerhalb eines speziellen Projektes (iMERA Quickstart) ist in Kooperation mit den Metrologieinstituten Frankreichs und Großbritanniens, LNE und NPL, eine Echtzeit-Kontrolleinheit entwickelt worden, die das Verfolgen beliebiger Spannungen quantengenau innerhalb von etwa 100 µs erlaubt. Damit kann die Spannungsrampe von etwa 1 V/s, die in der dynamischen Phase eines Wattwaagen-Experiments auftritt,...

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Erste Messungen haben gezeigt, dass ein "Josephson Waveform Synthesizer" (JWS), basierend auf einem programmierbaren Josephson-Array, mit dem PTB-Primärnormal für elektrische Leistung verknüpft werden kann. Das Primärnormal der PTB für elektrische Leistung nutzt ein Abtast-Verfahren und ein kommerzielles Voltmeter, um die Spannungs- und Stromsignale zu erfassen. Die vom JWS erzeugten...

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Eine neue Methode zur Kalibrierung für Wechselspannungen basierend auf einer synchron synthetisierten Wellenform einer programmierbaren Josephson-Schaltung ist erfolgreich getestet worden.
Bisher werden periodische Wechselspannungen bei Frequenzen bis etwa 400 Hz mit einem Abtastverfahren kalibriert, bei dem ein hoch auflösendes Abtastvoltmeter im Vollausschlag betrieben wird. Nun wurde untersucht,...

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Metrologie für die Wirtschaft

Mikropotentiometer werden seit langem zur rückführbaren Erzeugung kleiner Wechselspannungen bei der Kalibrierung von Messgeräten eingesetzt. Da vielfach die Ausgangsimpedanz des Mikropotentiometers nicht vernachlässigbar klein gegenüber der Eingangsimpedanz des Messgerätes ist, müssen Korrekturen angebracht werden, die die Messunsicherheit der Kalibrierung vergrößern.
Eine Möglichkeit zur...

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Neu entwickelte berechenbare Dünnschicht-Thermokonverter auf Quarzsubstrat trugen beim Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im Frequenzbereich bis 1 MHz zu einer erheblich verringerten Messunsicherheit bei. Wegen ihres kapazitäts- und verlustarmen Aufbaues eignen sie sich grundsätzlich auch für höhere Frequenzen bis über 100 MHz.
Zum Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im...

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Die Kalibrierung von Temperaturmessbrücken mit geringer Unsicherheit erfordert niedrige Rauschbandbreiten (bis herab zu 0,1 Hz), um die erforderliche Auflösung zu erzielen. Wird dann noch eine große Anzahl von Messpunkten gewünscht und jeder Messwert als Mittelwert aus zehn oder mehr Einzelmessungen gebildet, kann eine Kalibrierung sehr zeitaufwändig werden. Als rationelle Lösung bietet sich ein...

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Im Rahmen der Entwicklung eines neuen, effizienteren Verfahrens zur Bestimmung des Schirmdämpfungsmaßes kleiner flächiger Proben im Frequenzbereich von MHz bis zu einigen GHz wurden zahlreiche Messungen mit Hilfe eines neu entwickelten Richtkopplers durchgeführt. Dieser besteht aus zwei Teilen, zwischen die die Proben in DIN A5 - Größe eingebracht werden können (siehe Bild). Simulationsrechnungen...

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Bei der Kalibrierung der Anstiegszeit schneller Speicheroszilloskope konnten weitere Fortschritte erzielt werden. Während bisher ausschließlich die aufwändige Kalibrierung am optoelektronischen Primärnormal der Arbeitsgruppe 2.54 - Terahertz-Optik durchgeführt werden konnte, steht jetzt ein Pulsgenerator als Sekundärnormal zur Verfügung (siehe Bild), der zumindest in einem etwas eingeschränkten...

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In der Hochfrequenz-Leistungsmesstechnik wird die Kalibrierung von thermischen und Dioden-Leistungsmessköpfen, durch deren Einsatz die Leistungsmessung in industriellen Anwendungen fast vollständig abgedeckt wird, durch direkten Vergleich (Außenvergleich) mit Thermistor-Leistungsnormalen durchgeführt, wobei letztere in Mikrokalorimetern der PTB durch Bestimmung des effektiven Wirkungsgrades...

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Die Eigenschaften von kommerziell erhältlichen breitbandigen Mikrowellenprüfspitzen wurden in einem Frequenzbereich bis 50 GHz mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren messtechnisch bestimmt. Zum Einsatz kamen sowohl auf 1-Tor- als auch auf 2-Tor-Kalibrierungen beruhende Verfahren. In beiden Fällen erwies sich eine Vorabcharakterisierung der verwendeten On-Wafer-Kalibrierstandards als besonders...

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Die in der Mikrowellen- und Höchstfrequenztechnik häufig eingesetzten koplanaren Wellenleiter weisen aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der metallischen Leiterbahnen eine ausgeprägte Frequenzabhängigkeit des Leitungswellenwiderstandes auf. Werden diese Wellenleiter z.B. als Kalibriernormale für On-Wafer-TRL-Kalibrierungen eingesetzt, ist eine genaue Kenntnis des Leitungswellenwiderstandes...

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Bei Wechselspannungsprüfungen von Betriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung wird häufig der Scheitelwert der Prüfspannung gemessen, da dieser für den Über- bzw. Durchschlag von Hochspannungsisolierungen bei Kurzzeitbeanspruchung maßgebend ist. Der Effektivwert ist dagegen bei der Langzeitbeanspruchung und für Messwandler, die zur Messung des Energieverbrauchs Verwendung finden, die...
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Abtastverfahren mit hoch auflösenden Analog-Digital-Umsetzern und nachfolgender Fourieranalyse der erfassten Messdaten sind seit Jahrzehnten unentbehrliche Werkzeuge in der Metrologie. Das genaueste zur Zeit bekannte Verfahren basiert auf der synchronen Wechselsignalsynthese und anschließender simultaner Abtastung. Ausführliche Untersuchungen zur Messunsicherheitsevaluierung der Koeffizienten...

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Kalibrierungen von hoch-genauen Leistungskomparatoren verlangen den Einsatz von sehr stabilen Wechselspannungsquellen. Aus diesem Grund wurde im Fachbereich 2.3 ein Hochspannungsverstärker entwickelt, der eine Betrags- und Phasen-Stabilität von ± 0,1 µV/V bzw. ± 0,1 µrad über Stunden aufweist. Der Klirrfaktor liegt unterhalb 0,003 % (< 90 dBc) in allen Spannungsbereichen von 60 V bis 480 V. Die...

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Moderne Normale für die Wechselleistungsmesstechnik verkörpern Quelle und Messeinheit zugleich. Solche Einrichtungen beinhalten den "Stand-der-Technik" der digitalen Signalverarbeitung und sind in der Lage, komplexe Signale zu erzeugen und zahlreiche Signalverläufe der Versorgungsnetze nach der IEC Norm zur Netzqualität zu erzeugen. Wegen der wirtschaftlichen Bedeutung von Netzqualität...

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Die Bewahrung und Weitergabe der Einheit der elektrischen Wechselleistung in der PTB erfolgt mit Hilfe der simultanen synchronen Wechselsignalsynthese mit anschließender synchroner Abtastung. Untersuchungen hatten ergeben, dass die Messunsicherheit für die Wechselleistung bei Integration eines primären Thermokonverters in das digitale System geringer werden sollte. In der Tat konnte nun gezeigt...

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In der Regel werden Messungen von Wechselsignalen mit Hilfe von "Phase-Lock-Loop" (PLL) Techniken oder der voll-synchronen Signalsynthese mit synchroner Abtastung durchgeführt. Die letzte Methode verlangt allerdings einen Eingriff in die interne Hardware des genutzten kommerziellen Digitalvoltmeters. Es wurde nun als weitere Methode eine quasi-synchrone Abtastung der Wechselsignale entwickelt, mit...

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Zwei Methoden zur Bestimmung der Spektralkomponenten von Harmonischen aus Abtastwerten von Spannungssignalen im Niederfrequenzbereich wurden verglichen. Die erste Methode wurde am brasilianischen Staatsinstitut für Metrologie (INMETRO) entwickelt und basiert sich auf einer asynchronen Abtastung nach dem Swerleinschen Algorithmus. Die zweite Methode ist das bekannte PTB Verfahren der simultanen...

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Der Phasenwinkel zwischen zwei sinusförmigen Messsignalen kann, neben anderen Verfahren, durch Abtastung und anschließende Fouriertransformation (DFT) bestimmt werden. Dabei werden bei dem Heterodynverfahren die Messsignale vor der Abtastung moduliert, was bei höheren Messfrequenzen Vorteile gegenüber einer direkten Abtastung bietet. Die beiden Messsignale uN und uX werden mit einem sinusförmigen...

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Durch die Optimierung der geometrischen Parameter ist es gelungen, eine Momentenmessspule aufzubauen, die eine bessere Homogenität als die bisher übliche Helmholtzanordnung besitzt und die gleichzeitig unempfindlich gegen äußere Felder ist. Dadurch wird es möglich, Messungen kleiner magnetischer Momente außerhalb von teuren magnetischen Abschirmkabinen durchzuführen.
In der Industrie und in...

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Simulationsrechnungen belegen die hohe Fehlertoleranz des an der PTB entwickelten ultraschnellen Programmierverfahrens für magnetische Speicherchips (MRAM).
Kürzlich wurde an der PTB die ballistische Bitansteuerung vorgeschlagen, ein Verfahren, mit dem magnetische Speicherchips (MRAM für Magnetic Random Access Memory) mit sehr hoher Taktrate im GHz-Bereich betrieben werden können. In...
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Um die Form von Pikosekunden-Spannungsimpulsen zu messen, die sich auf koplanaren Leiterbahnstrukturen ausbreiten, nutzt man gewöhnlich den Pockels-Effekt, den bestimmte, so genannte elektro-optische Materialien zeigen. Hierbei hat man die Möglichkeit, einen externen elektro-optischen Kristall (´Prober´) auf die Leiterbahn zu setzen. Alternativ kann man das Substrat der Leiterbahn selbst...

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Metrologie für die Gesellschaft

Vor dem Hintergrund, dass sich Fahrzeugwaagen bei gleichzeitigem Betrieb eines Mobiltelefons oder eines Handsprechfunkgerätes als störanfällig erwiesen haben, wurden Vor-Ort-Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit einzelner Waagen durchgeführt (siehe Bild).
In Anbetracht der so gewonnenen Erfahrungen wurde mit der Entwicklung eines Vor-Ort-Prüfverfahrens begonnen, das in Zukunft den...

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In Zusammenarbeit mit Prof. Schmid vom Strahlenbiologischen Institut der Ludwig-Maximilians-Universität München wurden erste Versuche zur Feldexposition biologischer Proben in einer µTEM-Zelle durchgeführt (siehe Bild 1). Dabei wurde der Einfluss von Hochfrequenzfeldern bei 835 MHz mit definierter Feldstärke auf die Entwicklung einer Mensch-Hamster-Hybridzelllinie untersucht. Mit Hilfe eines sehr...

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Im August fand der erste Spatenstich zum Bau des Referenz-Freifeldmessplatzes statt. Auf dem Gelände der PTB entsteht ein europaweit einzigartiges 50 m x 60 m großes Messfeld, das zur Kalibrierung von Antennen und zur Durchführung von Emissionsmessungen im Rahmen der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit dienen soll. Zuvor waren die optimale Lage und Größe, die Ausführung des Randes...

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Internationale Angelegenheiten

Ein internationaler Ringvergleich von Quantenschaltungen für die Reproduzierung des elektrischen Widerstands über drei Dekaden der Widerstandsskala untersucht deren Eignung als Quanten-Widerstandsnormale.
Das vom französischen LNE vorgeschlagene Projekt "Study and validation of Quantum Hall Array Resistance Standards" dient der Überprüfung der Tauglichkeit von Quanten-Hall-Effekt...

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Zur Messung von schnellen elektrischen Signalen mit Bandbreiten im hohen GHz Bereich werden heutzutage hauptsächlich Sampling-Oszilloskope verwendet. Für zuverlässige Messungen muss das Zeitverhalten der Oszilloskope genau bekannt sein. Dies ist insbesondere wichtig, wenn das zu messende Signal eine Bandbreite ähnlich der des Oszilloskops aufweist. Typischerweise spezifiziert man das Zeitverhalten...

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