Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Einzelelektronenpumpen mit SET-Fehlerdetektoren: Herstellung und erste Messungen

08.12.2011

Einzelelektronenpumpen sind ein wesentlicher Bestandteil eines zukünftigen Quantenstromnormals, das die elektrische Stromstärke auf die Größe der Elementarladung und die Frequenz zurückführt. Für praktische Anwendungen sollten die quantisierten Ströme größer als 100 pA sein, was Pumpfrequenzen von etwa 1 GHz erfordert. Die bisherigen Experimente mit Einzelelektronenpumpen zeigen allerdings, dass die erreichbare Unsicherheit mit der Pumpfrequenz stark ansteigt.
Eine Möglichkeit zur Verringerung dieser Unsicherheit besteht darin, mehrere Einzelelektronenpumpen in Reihe zu schalten und die Ladung auf den zwischen den Pumpen befindlichen metallischen Nano-Inseln zu überwachen. Die Ladung auf diesen Inseln kann mit der erforderlichen Auflösung von einer Elementarladung mit Hilfe von Einzelelektronen-Transistoren gemessen werden. Somit können Fehler der Elektronenpumpen erkannt und gezählt, und der Quantenstrom entsprechend korrigiert werden.
Für einen Test dieses Konzeptes der Fehlerdetektion wurden sowohl Halbleiterpumpen als auch S-N-S (S: Supraleiter,
N: Normalleiter) Pumpen jeweils zusammen mit metallischen Einzelelektronen-Transistoren auf einem Chip integriert. Diese Proben werden zurzeit bei tiefen Temperaturen in einem Mischungskryostaten charakterisiert. Die ersten Untersuchungen zeigen, dass die Einzelelektronen-Transistoren eine hinreichende Messgenauigkeit für die Erkennung von Pumpfehlern erreichen. Der gemeinsame Betrieb von Elektronenpumpen und Einzelelektronen-Transistoren erfordert noch eine detaillierte Analyse und möglicherweise einen verbesserten Schaltungsentwurf, um einen störungsfreien Betrieb bei hohen Taktfrequenzen zu gewährleisten.

 

 

Bild 1:
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von in Serie geschalteten S-N-S Pumpen mit Einzelelektronen-Transistor als Fehlerdetektor, hergestellt in Schrägbedampfungstechnik.

 

 

 

Ansprechpartner: R. Dolata
Fachbereich 2.4 : Quantenelektronik