Nachrichten aus dem Jahresbericht 2017

Um die Ausgangsspannung des pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals zu erhöhen, wurden 16 Schaltungen, verteilt auf 8 Chips, in Serie geschaltet. Mit den insgesamt 162.000 Josephson-Kontakten wurde eine Ausgangsspannung von 2,25 V_RMS (entsprechend 6,36 V_Peak-Peak) realisiert.

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts PlanarCal ist es erstmalig gelungen, ein vollständiges Unsicherheitsbudget für planare Streuparametermessungen im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz aufzustellen. Die Rückführbarkeit wurde für Messungen an Schaltungskomponenten in Membrantechnologie nachgewiesen.

Neuartige und erst vor wenigen Jahren entdeckte Festkörper, sogenannte ‚Topologische Isolatoren‘ (TI), sind nur an ihrer Oberfläche elektrisch leitend. In dünnen Schichten ferromagnetischer TI tritt der anomale Hall-Effekt auf, bei dem der Hall-Widerstand bereits ohne äußeres Magnetfeld quantisiert ist. Erstmals wurde dies jetzt mit einer Messunsicherheit im sub-ppm Bereich gezeigt.

Das revidierte Internationale Einheitensystem, das SI, wird auf sieben definierenden Konstanten beruhen. Zur Darstellung der SI Einheiten auf Basis der definierenden Konstanten werden in vielen Fällen Methoden der Quantenmetrologie benutzt. Vor diesem Hintergrund hat das Bureau International de Poids et Mesures (BIPM) einen Workshop über den Einsatz von Quantentechniken in der Metrologie...

Mittels magnetischer Tunnelkontakte ist es möglich, quantitative Temperaturmessungen mit einer Zeitauflösung im Subnanosekunden-Bereich durchzuführen. Dabei wird der Tunnelkontakt aufgrund seines temperaturabhängigen Tunnelwiderstands als kalibriertes Thermometer verwendet. Das Prinzip wurde in der PTB für die zeitaufgelöste Messung von laserinduzierten Temperaturerhöhungen demonstriert und kann...

Mit dem am 17. Mai 2017 in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig abgehaltenen 303. PTB-Seminar "Aktuelle Fortschritte von Kalibrierverfahren im Nieder- und Hochfrequenzbereich 2017" hat die PTB die Reihe der Seminare fortgesetzt, die sich seit vielen Jahren mit aktuellen Problemen der industriellen elektrischen Messtechnik befassen.

Beim Quanten-Hall-Effekt, einer der Säulen des "Neuen SI", wurde immer wieder mit höchster Genauigkeit überprüft, dass ein gemessener Widerstand nur von Naturkonstanten abhängt. Nun gelang dies erstmals auch in einem Material, bei dem nicht mehr Elektronen den Strom tragen, sondern ein Verbund aus magnetischen Flussquanten und Elektronen, sogenannte Komposit-Fermionen.

Auf seiner 30. Sitzung vom 22. bis 24. März 2017 hat das Konsultativkomitee für Elektrizität und Magnetismus der Meterkonvention die Einführung des revidierten SI vorbereitet. Dabei wurde Sorge getragen, dass die Umstellung für die Nutzer elektrischer Einheiten mit minimalem Aufwand zu bewältigen ist.

Im Rahmen der Entwicklungen für Antennenmesstechnik hat der Fachbereich Hochfrequenz und Felder erfolgreich die Sensorik für Luftraumüberwachungsradare (ASR) an den Flughäfen Hannover und Wunstorf getestet. Derartige Radaranlagen sind fest installiert und lassen sich weder auf dem Antennenscanner noch auf dem Antennenfreifeld der PTB charakterisieren. Solche Anlagen müssen direkt am Aufstellort...

Im Rahmen einer bilateralen Kooperation zwischen der PTB und einem Industriepartner werden neuartige Normalwiderstände entwickelt. Auch nach der Neudefinition des internationalen Einheitensystems (SI) werden sie benötigt, um die geringe Unsicherheit der Quantennormale weiterzugeben.

Für die Automatisierung von Kalibrierungen, die auf Wechselspannungsverhältnisse zurückgeführt sind, wurde ein 8-dekadiger induktiver Spannungsteiler vom Typ Sullivan F.9200 mit Schrittmotoren versehen. Dieser Umbau ermöglicht automatisierte rechnergesteuerte Kalibrierungen mit kleinsten Unsicherheiten, die vorher nur mit manueller Bedienung der Stufenschalter möglich waren.

Für den Wechselstromstärke-Gleichstromstärke-Transfer wurden neuartige Strommesswiderstände auf der Basis von SMD Komponenten entwickelt und aufgebaut. Die Ausführung als vierpolige, koaxial aufgebaute Scheibenwiderstände erlaubt die Realisierung beliebiger Widerstandswerte bei flachem Frequenzgang in Verbindung mit hervorragender Stabilität bei Gleichstrom sowie kleinem Temperaturkoeffizienten.

Es wurde ein neues Kalibrierverfahren für vektorielle Netzwerkanalysatoren mit mehr als zwei Messtoren entwickelt, bei dem ein Mehrtor-Kalibriernormal zum Einsatz kommt.

Die derzeit im Bereich der Prüfung und Kalibrierung von Spannungswandlern eingesetzte Messeinrichtung "ESM II" ist seit etwa 20 Jahren erfolgreich in Betrieb. Die verwendeten Komponenten dieser Einrichtung und deren Software sind jedoch veraltet und oft nicht mehr erhältlich. Daher ist es notwendig dieses Messsystem zu modernisieren, wobei auch seine messtechnischen Eigenschaften verbessert werden...

Präzisionsspannungsteiler werden zur Messung hoher Wechsel-, Stoß- und Gleichspannungen eingesetzt. Im Falle hoher Gleichspannung liegt der bisher in der PTB zugängliche Bereich bei ± 300 kV. Um für zukünftige Aufgaben vorbereitet zu sein, wurde ein rückführbarer modularer Präzisions-Hochspannungsteiler für den Bereich ± 800 kV aufgebaut.

Um der u. a. durch die Elektromobilität verstärkten Nachfrage aus Industrie und Wissenschaft nach Kalibrierdienstleistungen von Leistungsmessgeräten für DC-Leistung gerecht zu werden, wurde ein entsprechender Leistungsmessplatz aufgebaut, begutachtet und als Zusatzleistung in die Liste der Dienstleistungen aufgenommen.

Um die Komplexität pulsgetriebener Josephson-Schaltungen zu verringern, wurden erstmals 5-fach gestapelte Kontakte eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der Josephson Kontakte auf 30.000 pro Chip (mit 2 Schaltungen pro Chip) erhöht werden, was eine Ausgangsspannung von mehr als 0,5 V_RMS von einem Chip ermöglicht.

Für den optischen Betrieb des pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals JAWS mittels Photodioden, die direkt bei 4 Kelvin betrieben werden, wurden im Rahmen des EMPIR Projektes QuADC ein Hybrid-Chip (Carrier Chip für Photodioden) und ein Multifunktions-Carrier entwickelt, hergestellt und erfolgreich getestet.

In der Quanten-Informationstechnologie besteht ein Bedarf an breitbandigen Verstärkern mit extrem niedrigem Eigenrauschen. An der PTB wurde ein parametrischer Wanderwellen-Verstärker auf der Basis einer Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs entwickelt, der sich durch eine hohe Verstärkung, große Bandbreite und ein potentiell geringes Rauschen am Quantenlimit auszeichnet.

Ein neuartiger Elektronenladungs-Turnstile-Effekt wurde durch Anregen von Hochfrequenz-Gateoszillationen an einem supraleitenden Einzelelektronentransistor demonstriert. Einzigartig beim so entwickelten 3e-Turnstile ist die Rolle des quantenmechanischen "Cooper Paar – Elektron" Kotunnelns als Haupttransport-Mechanismus, im wesentlichen Unterschied zu den bekannten Einzelelektronenpumpen.

Die PTB fertigt seit Jahren Strukturen mit nanoskaligen Dimensionen, die für verschiedene Bereiche der Metrologie von großer Bedeutung sind. Um die Fertigungsmöglichkeiten zu erhalten und auszubauen wurde ein neues Elektronenstrahllithographiesystem im Reinraumzentrum der PTB installiert.

Zur Darstellung der Einheit Tesla der magnetischen Flussdichte wird in der PTB ein Messsystem mit Kernresonanz (NMR) in Wasserproben genutzt. Proben mit gasförmigem ³He erlauben aber mehrere Größenordnungen längere auswertbare Messzeiten, was eine verringerte Messunsicherheit und eine deutliche Vergrößerung des zugänglichen Flussdichtebereichs verspricht.

Die PTB entwickelt im Rahmen eines TransMeT-Projekts zusammen mit der Firma Matesy ein Kalibrierverfahren für ein magnetooptisches Visualisierungssystem für magnetische Strukturen. Dabei soll mit einer auf Faraday-Sensoren basierenden Technik eine quantitative Magnetfeldmessung mit einer Ortsauflösung von etwa 10 µm implementiert werden.

Weiterentwicklungen des Fertigungsprozesses und Optimierung des Designs führten zu einer höheren Ausbeute und reproduzierbaren, verbesserten Charakteristika der Einzelelektronen-Quellen.

Erstmals wurden Graphen-Schichten auf SiC-Substraten epitaktisch hergestellt, die in richtungsabhängigen Messungen nahezu gleiche Widerstandswerte für alle Kristallrichtungen liefern.  Eine verbleibende Anisotropie von ca. 3% ist auf die unvermeidlichen Terrassenstufen der Substratoberfläche zurückzuführen. Mit diesem Wert ist somit die untere Grenze für epitaktisches Graphen erreicht worden.

Ultraschnelle anomale Hallströme, die optisch in einem Halbleiter induziert wurden, konnten erstmals mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert werden.

Die Zeitantwort von Photodetektoren, die für hochfrequente optische Datenübertragung wichtig sind, kann jetzt genau bestimmt werden.

Es wurden zwei Vergleiche der Kapazitätsrealisierung durchgeführt, ein EURAMET-Vergleich und ein CCEM-Hauptvergleich. Vergleiche sind ein wesentliches Instrument der Metrologie, um die Techniken und Methoden in dem jeweiligen Arbeitsgebiet zu testen und um die Äquivalenz der realisierten physikalischen Einheiten auf einem möglichst niedrigen Unsicherheitsniveau zu demonstrieren und zu bewahren, so...

Die pulsgetriebene Josephson-Impedanzbrücke der PTB nutzt spektral sehr reine Sinusspannungen, die von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) erzeugt werden. Weltweit erstmals wurde mit dieser Messbrücke ein 10 nF Kapazitätsnormal direkt auf den AC Quanten-Hall Widerstand (AC QHR) zurückgeführt.

Im Rahmen des EMPIR Projekts "QuADC" wird ein Wechselspannungs-Messsystem entwickelt, das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale nutzt, um Signale bis zu einer Spannung von 1 kV bei Frequenzen bis zu 1 MHz zu messen. Für die Messung von Spannungen über 1 Volt werden Spannungsteiler benötigt. Zu diesem Zweck wurde jetzt erstmals ein induktiver Spannungsteiler mit pulsgetriebenen...

Für das Projekt "elektronisches Kelvin" wurde ein System zur Erzeugung eines quanten-genauen berechenbaren Spannungsrauschens aufgebaut, das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale nutzt. Um dieses QVNS-System ("Quantum Accurate Voltage Noise Source") zu optimieren und zu charakterisieren wurden zwei solche Systeme aufgebaut, die unter Variation verschiedener Parameter gegeneinander getestet...

Das australische NMI wurde beim Aufbau einer modernen Temperaturregelung für Kapazitäts-Transfernormale mit einer Stabilität von besser als 0,1 mK unterstützt. Diese hohe Stabilität wird für die neue Realisierung der Kapazitäts-Skala auf der Basis eines Thompson-Lampard Kreuzkondensators der 2. Generation benötigt, bei der eine Unsicherheit von wenigen nF/F angestrebt wird.