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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2011

Grundlagen der Metrologie

Es wurde ein Konzept für ein Quanten-Hall-Effekt-Bauelement demonstriert, bei dem die besondere Eigenschaft des Materials Graphen ausgenutzt wird, elektrischen Transport mit positiven und negativen Ladungsträgern zu ermöglichen. In Reihenschaltungen kann man damit quantisierte Hall-Widerstände als ganzzahlige Vielfache von h/2e² realisieren.

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Das "Electron Counting Capacitance Standard"(ECCS)-Experiment ermöglicht die Durchführung eines fundamentalen Konsistenztests zwischen den in der elektrischen Metrologie eingesetzten Quanteneffekten, dem Josephson- und dem Quanten-Hall-Effekt. In der PTB ist die Durchführung dieses Experiments nun erstmalig gelungen. Die in diesen, noch vorläufigen, Testdurchläufen bereits erzielte geringe...

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Durch Strukturierung ferromagnetischer Filme mit periodischen Lochgittern auf Nanometerskala lassen sich die Eigenschaften der Filme gezielt verändern. In systematischen Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften solcher Lochgitter konnte nun erstmals ein neuartiger Typ magnetischer Domänenübergänge, die sogenannten Superdomänenwände, nachgewiesen und untersucht werden.

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In der PTB konnte erstmals mit einer integrierten Halbleiterschaltung eine quantisierte Spannung erzeugt werden. Dies gelang durch Verbindung einer Einzelelektronenpumpe und eines Quanten-Hall-Widerstandes auf einem Halbleiterchip. Bislang konnten solche quantisierten Spannungen nur mittels supraleitender Schaltungen erzeugt werden.

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Durch Anregung von GaAs-Quantenfilmen mit Femtosekunden-Laserimpulsen wurden ultraschnelle Oszillationen von Ladungsträgern in der Ebene der Quantenfilme induziert. Diese Oszillationen, die ohne das Anlegen eines äußeren Feldes auftreten, zeigen, dass der Übergang von leichten zu schweren Löchern in GaAs-Quantenfilmen zur Emission von THz-Strahlung genutzt werden kann.

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Aus einer amorphen NbSi-Schicht wurde eine Transistor-Nanodrahtstruktur hergestellt, die aus einer Insel zwischen zwei schmalen Bereichen und einer daran kapazitiv angekoppelten Gateelektrode besteht. Im Experiment zeigte die Struktur die erwartete periodische Abhängigkeit der IU-Kennlinie von der Gatespannung.

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In einer Kooperation mit der Universität Tübingen wurden verschiedene Nano-SQUID-Schaltungen hergestellt und erfolgreich eingesetzt. Durch Weiterentwicklung der Technologie konnten SQUID-Designs weiter miniaturisiert werden, wobei Josephson-Kontakte mit Abmessungen kleiner als 100 nm realisiert wurden.

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Die Einzelelektronen-Haltezeiten einer hybriden Speicherzelle konnten durch gezielte Unterdrückung des Einzelphotonen-Emissionsrauschens ihrer unmittelbaren elektromagnetischen Umgebung um mehrere Größenordnungen verlängert werden. Dank eines doppelt-geschirmten Probenraums im Messkryostaten des finnischen metrologischen Instituts MIKES stieg die Haltezeit einer Speicherzelle von ursprünglich 20...

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Metrologie für die Wirtschaft

Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramm EMRP ist im Juli 2011 das Projekt EMINDA (Electromagnetic Characterisation of Materials for Industrial Applications up to Microwave Frequencies) erfolgreich gestartet. Ziel des Projektes ist es, unterschiedliche Methoden für die Charakterisierung von Materialien im Hochfrequenzbereich zu entwickeln und für die Industrie ein entsprechendes...

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In Zusammenarbeit mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik in Berlin und dem NIST, dem nationalen metrologischen Institut der USA, in Boulder, Colorado, ist erstmals die numerische Simulation unerwünschter Moden in kommerziellen On-Wafer-Kalibriersubstraten gelungen. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgte mit Streuparametermessungen im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz.

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In Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnologie der TU Braunschweig wurde ein reflexionsarmer Übergang von hochleitfähigem Silizium zu einem in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiter entwickelt, gefertigt und messtechnisch bis 110 GHz charakterisiert. Die Leitungsstruktur kann als Kalibriernormal für On-Wafer-Streuparametermessungen mit höchster Präzision eingesetzt werden.

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Metrologie für die Gesellschaft

Wie Schlagzeilen in der Presse immer wieder belegen, ist die Ortung von Bomben-Blindgängern aus dem zweiten Weltkrieg auch heute noch ein Problem. Im Rahmen einer Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe „Magnetische Messtechnik“ der PTB Braunschweig und der Firma Sensys GmbH, Bad Saarow, wird an neuen Testverfahren gearbeitet, mit denen Sonden für die Suche nach diesen Blindgängern überprüft und...

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Für die Wechselleistungsmesstechnik und Netzqualitätsmessungen wurde ein Digitalisierer höchster Abtastgenauigkeit entwickelt. Das kompakte und mehrkanalige Abtastsystem weist integrale Nichtlinearitäten von einigen μV/V bei Abtastraten bis zu 128 kHz auf und wird die Messmöglichkeiten der PTB im Bereich der Wechselleistung- und Netzqualitäts-Messungen erweitern. Die damit erreichbaren...

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Die Rekalibrierung der dreiphasigen Arbeitsnormale für Leistung wird mit Hilfe eines neu entwickelten Leistungsnormals bedeutend erleichtert. Basierend auf zwei kaskadierten Direct-Digital-Synthesizern (DDS) ermöglicht das Messsystem quasi-synchrones Abtasten ohne Hardwaremodifikationen von Leistungsquelle und Abtastvoltmeter.

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Im Rahmen eines von der EU geförderten Gemeinschaftsprojekts, an dem mehrere europäische metrologische Institute und Universitäten beteiligt sind, befasst sich die TU Braunschweig gemeinsam mit der PTB mit Umrichtertechnik – hier insbesondere
mit
dem Aufbau einer auf nationale Normale rückführbaren Messmöglichkeit zur Bestimmung der integralen Verluste an Umrichtern. Hintergrund ist die im...

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Das vom Bundesamt für Strahlenschutz geförderte Projekt „Gentoxische Effekte von Terahertz-Strahlung in vitro ?“ wurde nach drei Jahren Projektlaufzeit und einer dreimonatigen Projektverlängerung zur Durchführung weiterer Untersuchungen erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinären Vorhaben, in dem Hautzelllinien Terahertz-Strahlung ausgesetzt wurden, konnten keine gentoxischen Effekte...

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Im Rahmen einer Kooperation mit dem DARC wurde eine symmetrische Streifenleitung für den Frequenzbereich zwischen 1 MHz und
30 MHz entwickelt, die als Gebrauchsnormal für die Kalibrierung von Feldsonden dienen kann und mit der die einfache und schnelle Kalibrierung von Feldsonden für den DARC mit geringer Messunsicherheit möglich ist.

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Im Rahmen des EMRP Projektes „Energy Harvesting“ wurden erste Untersuchungen an piezoelektrischen Mikrogeneratoren durch-
geführt. Die Analyse der Messergebnisse hat gezeigt, dass solche Generatoren am Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrades nicht die maximal mögliche Ausgangsleistung erzeugen.

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Internationale Angelegenheiten

Im Mai 2011 wurden der Fachöffentlichkeit auf einer Informationsveranstaltung die Ergebnisse von vier Forschungsprojekten zu Themen der elektrischen Quantenmetrologie präsentiert. Die Projekte wurden, unterstützt durch die EU, in der iMERAplus-Phase des europäischen Metrologie-Forschungsprogramms EMRP (European Metrology Research Programme) durchgeführt und sind in 2011 erfolgreich abgeschlossen...

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