Logo PTB

Nachrichten aus dem Jahresbericht 2016

Die Welt der Physik ist im Umbruch: Bis 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Basiseinheiten auf ein solides, unveränderliches Fundament stellen – die Naturkonstanten. Die Einheiten Meter und Sekunde sind diesbezüglich schon vor Jahren vorangeprescht, nun sollen Kelvin, Kilogramm, Mol und Ampere folgen. Die Forschungsarbeiten an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) tragen zum...

[ mehr ]

Eine vollständige Untersuchung von magnetischen Nanoteilchen erfordert hochempfindliche, dreidimensionale Sensormesstechniken. Die Magnetfeldsensoren sollten dabei nicht viel größer als die Objekte selbst sein. Dank der an der PTB vorhandenen Technologie zur Herstellung von NanoSQUIDs auf Basis von überdämpften Josephson-Kontakten wurde die Entwicklung eines kombinierten Detektors möglich.

[ mehr ]

Parametrische Verstärker mit Josephson-Kontakten (JPAs) sind etablierte Werkzeuge für die Quanten-Informationstechnologie, wo besonders ein Bedarf an sehr breitbandigen Systemen besteht. Wir schlagen einen einfachen Wanderwellen-JPA vor, der sich durch hohe Verstärkung, große Bandbreite und geringes Rauschen am Quantenlimit auszeichnet und stellen erste experimentelle Ergebnisse dazu vor.

[ mehr ]

Ein hocheffizienter on-chip Mikrowellenfilter wurde für den Einsatz in Einzelquanten-Schaltungen bei T ~ 100 mK entwickelt. Der Filter besteht aus einer Reihenschaltung mit bis zu 40 Josephson-Interferometern (sog. "SQUIDs") und zeichnet sich durch einen variablen, frequenzabhängigen Unterdrückungsfaktor γ ~ 101…104 für Photonen-Streufelder im Frequenzbereich f ~ 100 GHz bis 200 GHz aus.

[ mehr ]

Für die Realisierung des neuen Quantenstandards für das Ampere werden hybride Schaltungen aus halbleitenden Einzelelektronenpumpen und metallischen Einzelelektronentransistoren (SET) entwickelt. Die SETs sind in der Lage, einzelne Elektronen zu detektieren und dienen dazu, die Genauigkeit der Pumpen zu validieren. Durch die Verwendung von RF-SETs kann eine höhere Bandbreite realisiert werden.

[ mehr ]

Um die Komplexität pulsgetriebener 1 V Josephson-Schaltungen zu verringern, wurden erstmals 4-fach gestapelte Kontakte und längere Ketten eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der Josephson Kontakte auf 14 000 pro Schaltung erhöht werden. Es wurden 4 statt 2 Schaltungen pro Chip integriert. In einem ersten Test wurde auf einem Chip mit 41 600 Kontakten eine Ausgangsspannung von mehr als 0,5 V RMS...

[ mehr ]

Für das in diesem Jahr gestartete Projekt "elektronisches Kelvin" wurden Designs für geeignete Josephson-Schaltungen konzipiert und daraus mehrere Layouts erstellt. Erste Schaltungen wurden gefertigt und können demnächst charakterisiert werden. Mit bereits vorhandenen Schaltungen älteren Designs wurden exemplarisch Wellenformen synthetisiert, die eine synthetische Rauschspannung repräsentieren.

[ mehr ]

Bei Kalibrierungen mit Josephson-Wechselspannungen ist bei höheren Frequenzen der Einfluss der Kabel zwischen Chip und Prüfling zu berücksichtigen. Durch Halbierung der Kabellänge auf 0,6 m in einem Mini-Kryostaten gelang es in gemeinsamen Messungen mit dem VSL (Niederlande), die AC-DC Transferdifferenz bei 1 MHz um mehr als eine Größenordnung auf 700 µV/V zu reduzieren.

[ mehr ]

In Zusamenarbeit mit der Universität Bielefeld wird ein substrat-freier Kohlenstoffkondensator im Nanometerbereich (All-Carbon Nano Capacitor, ACNC) entwickelt. Bei diesem umweltfreundlichen Konzept wird Graphen als Elektrodenmaterial und eine Kohlenstoffnanomembran als Dielektrikum verwendet.

[ mehr ]

Einzelelektronenpumpen transportieren einzelne Elektronen mit hoher Frequenz und erzeugen so einen quantisierten Strom. Die PTB ist bereits führend in der Herstellung und Vermessung solcher Einzelelektronenpumpen aus Galliumarsenid. Nun konnte ein neuartiger Typ einer Einzelelektronenpumpe durch Nutzung einzelner Dotieratome in Silizium-basierten Nanostrukturen realisiert werden.

[ mehr ]

In der Abteilung Elektrizität wurde im Mai 2016 ein Heliumverflüssiger in Betrieb genommen, der den PTB Standort Braunschweig im Routinebetrieb mit  Flüssighelium versorgt. Die Anlage deckt vor allem den Bedarf der Forschung, Entwicklung und Anwendung von elektrischen Quantennormalen. Von der höheren Versorgungssicherheit mit Flüssighelium profitieren aber auch andere Arbeitsgebiete der PTB.

[ mehr ]

Die PTB hat ihren Weltrekord aus dem Vorjahr übertroffen, bei dem elektrische Ströme aus Einzelelektronen-Pumpen mit einem speziellen Messverstärker mit höchster Genauigkeit gemessen wurden. Die neue Bestmarke von 0,16 µA/A relativer Unsicherheit wurde durch Verbesserungen des experimentellen Aufbaus erreicht. Zudem wurde das Ergebnis in einer deutlich verkürzten Messzeit erzielt.

[ mehr ]

Graphen weist neben interessanten elektrischen Eigenschaften auch einen Quanten-Hall-Effekt auf, der für die Metrologie von großem Interesse ist, sowohl für die Realisierung der Widerstandseinheit Ohm als auch für die Realisierung der Kapazitätseinheit Farad. Eine an der PTB für herkömmliche GaAs-Proben entwickelte Schirmungsmethode wurde nun auch erfolgreich mit einer Graphen-Probe genutzt.

[ mehr ]

Die neue Impedanzmessbrücke der PTB nutzt spektral reine, quantengenaue Sinusspannungen, die von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) erzeugt werden. Messungen mit dieser Brücke zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit Impedanzmessbrücken klassischer Bauart. Nun wurde diese Messbrücke erstmals genutzt, um ein 10 nF Kapazitätsnormal direkt auf den Quanten-Hall Widerstand zurückzuführen.

[ mehr ]

Die geringere Messunsicherheit neuer AC-DC-Strommesswiderstände wird nur erreicht, wenn auch ihr Widerstand bei Gleichstrom genau bestimmt wird. Da Widerstandsmessbrücken bei hohen Stromstärken dafür ungeeignet sind, wurde ein Verfahren entwickelt, das eine erweiterte Kalibrier-Unsicherheit von 3.10-6 erreicht. Nach weiterer Optimierung werden damit Werte < 1.10-6 möglich sein.

[ mehr ]

Für die Kalibrierung von Brückennormalen wurde die Umstellung auf einen verbesserten Messplatz erfolgreich abgeschlossen. Der verbesserte Messplatz ermöglicht Brückennormal-Kalibrierungen in einem Frequenzbereich von 225 Hz bis 5 kHz bei deutlich verringertem Kalibrieraufwand. Im Vergleich zu der zuvor verwendeten Kalibriereinrichtung liefert dieser Messplatz unverändert kleine Unsicherheiten für...

[ mehr ]

Für die Kalibrierung von dynamischen Brückenverstärkern wurde ein weiterentwickeltes dynamisches Brückennormal an den Fachbereich "Akustik und Dynamik" der Abteilung "Mechanik und Akustik" übergeben. Damit wird dort ein Kalibrierangebot für frequenzabhängige sinusförmige Signale sowie für besondere Signalformen (z.B. ein dynamisches Signal mit konstantem Untergrund oder beliebige nicht sinusoidale...

[ mehr ]

Zusammen mit der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg werden Fehlereinflüsse bei der Kalibrierung von Antennen auf Freifeldmessplätzen untersucht. Dabei sollen Messunsicherheitsbeiträge und ihre Auswirkungen sowohl auf die Abnahmemessung des Freifeldes als auch auf die eigentliche Antennen-Kalibrierung quantifiziert werden, um eine weitere Optimierung von Freifeldmessplätzen zu ermöglichen.

[ mehr ]

Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit wurden neue Verfahren zur robusten Schätzung der Lage des Phasenzentrums und zur Korrektur von Effekten der Mehrwegeausbreitung bei der Antennenkalibrierung implementiert und validiert. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer Antennen-Kalibrierung mit geringer Messunsicherheit, die zukünftig von der PTB angeboten werden soll.

[ mehr ]

Ein aus koaxialen und koplanaren Komponenten bestehendes Hochfrequenz-Bauteil ist erstmalig mit zwei völlig unterschiedlichen Netzwerkanalyse-Verfahren charakterisiert worden. Für Frequenzen im Bereich 10 bis 110 GHz wurde eine gute Übereinstimmung zwischen konventionellen Netzwerkanalysatormessungen im Frequenzbereich und laserbasierten elektrooptischen Messungen im Zeitbereich erzielt.

[ mehr ]

Die meisten Magnetfeldsonden messen die magnetische Flussdichte nur in einer Richtung oder, wenn sie aus mehreren Einzelsensoren bestehen, jeweils nur in Richtung jedes Einzelsensors. Die exakte Richtung der Einzelsensoren ist aber bislang nur schwer zu bestimmen.  Mit einem neuen Messaufbau kann die exakte Ausrichtung aller Einzelsensoren zueinander nun präzise bestimmt werden.

[ mehr ]

Das AC-Quantenvoltmeter, ein auf dem Josephson-Effekt beruhendes Gleich- und Wechselspannungsmesssystem, wurde bereits früher zu einem industriellen Kalibrierlabor transferiert und dort akkreditiert. Im Rahmen eines Technologietransferprojekts wurde es zu einem Quantenkalibrator weiterentwickelt. Dafür wurden nur in Kalibrierlaboren ohnehin zur Verfügung stehende Geräte eingesetzt.

[ mehr ]

Diskrete Messpunkte für elektrische Energie ermöglichen nur die Bestimmung der am jeweiligen Punkt geflossenen Energiemenge. In bestimmten Anwendungsfällen ist es aber notwendig, aus mehreren realen Energiezählern mit Hilfe von Berechnungsvorschriften virtuelle Zählpunkte zu bilden. In der PTB wird derzeit ein rückgeführter Prüfstand für abrechnungsrelevante virtuelle Zählpunkte aufgebaut.

[ mehr ]