30.11.2021
Für die Darstellung und Weitergabe der Widerstandseinheit Ohm wurden in der PTB erstmals Graphen-basierte Quanten-Hall (QH)-Proben aus eigener Produktion verwendet. Dabei wurde auf höchstem Präzisionsniveau sichergestellt, dass der Übergang vom etablierten Materialsystem (GaAs) zum neuen Probenmaterial (Graphen) innerhalb der Messunsicherheit keinen Unterschied zeigt.
Es bestätigte sich dabei, dass der experimentelle Aufwand zum Betrieb von QH-Widerständen aus Graphen deutlich geringer ist als für GaAs-basierte Proben.
Im Rahmen der Untersuchungen wurden alle Proben umfassend nach Maßgabe der Guidelines für die Anwendung des QH-Effekts in der Widerstandsmetrologie charakterisiert. Dabei wurden QH-Proben auf Graphen- und auf GaAs-Basis zeitnah im Kryomagnetsystem unter Einsatz einer hochgenauen Widerstandsmessbrücke untersucht und die Ergebnisse verglichen. Unter Berücksichtigung des Beitrages des endlichen Längswiderstandes konnte der quantisierte Widerstandswert RK/2 mit einer erweiterten Messunsicherheit von 1×10-9 konsistent in beiden Materialsystemen dargestellt werden. RK ist die von Klitzing-Konstante, h/e2, wobei h das Planck‘sche Wirkungsquantum und e die Elementarladung darstellen.
Die GaAs-basierten Proben mussten bei vergleichsweise hohen Magnetfeldern von typischerweise 10,5 T bis 11,0 T und bei einer Temperatur von 2,2 K betrieben werden. Demgegenüber zeigten die Proben aus Graphen eine vergleichbare Performance schon bei Magnetfeldern unterhalb von 6 T und bei höheren Temperaturen von 4,2 K. Somit konnte gezeigt werden, dass Graphen-Proben als Quanten-Widerstandsnormale unter Messbedingungen eingesetzt werden können, wie sie schon mit kompakten und relativ kostengünstigen Kleinkühler-Magnetsystemen erreicht werden.
Ermöglicht wurden die genannten Ergebnisse durch vor Kurzem erreichte Verbesserungen bei der Herstellung von Graphen-QH-Proben im Reinraumzentrum der PTB, insbesondere bezüglich der Kontrolle der Ladungsträgerdichte. Dieser Aspekt ist entscheidend für die wiederholte Verwendbarkeit von Graphen-basierten QH-Proben über längere Zeiträume.
Die technisch vereinfachte quantenbasierte Darstellung der Einheit Ohm eröffnet neue Anwendungsperspektiven im Bereich von Industrie und Kalibrierlaboratorien.
Bild: Quanten-Hall-Probe aus Graphen für den Einsatz als Quanten-Widerstandsnormal, elektrisch kontaktiert im Probenträger.
Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“