05.12.2007
Das Pumpen einzelner Elektronen wird in der PTB im Hinblick auf ein zukünftiges Quantenstromnormal untersucht, das die elektrische Stromstärke auf die Größe der Elementarladung und auf die Frequenz zurückführt. Ein solches Quanten-Stromstärkenormal muss aber nicht nur eine geringe Unsicherheit aufweisen: Um praktische Relevanz zu haben, muss es auch Stromstärken liefern, die mindestens im Nanoamperebereich liegen. Dafür müssten einzelne Elektronen wesentlich schneller getaktet werden als bisher, was jedoch aufgrund eines fundamentalen Zusammenhangs zu einem Verlust der Kontrollierbarkeit und damit zu höherer Unsicherheit führt. Die Strategie, für eine größere Stromstärke viele Pumpen parallel zu betreiben, verbot sich jedoch bisher wegen der hohen Komplexität und geringen Reproduzierbarkeit der einzelnen Pumpen.
Auf der Suche nach einem für die Parallelisierung geeigneten Prinzip wurde nun eine neuartige Quantenschaltung auf der Basis einer Halbleiterstruktur entwickelt. In ihr wird mit nur einer einzigen periodischen Signalspannung pro Takt genau ein Elektron bewegt. Die Höhe der Spannungspulse spielt dabei für den korrekten Betrieb keine Rolle, ähnlich wie bei einem Spender für Süßstoffpillen: Oberhalb eines Mindestdrucks auf den Auslöser wird eine Pille abgegeben, unabhängig vom genauen Auslösedruck. Diese Besonderheit, gepaart mit der Einfachheit der Schaltung, erlaubt es letztlich, viele Pumpen mit gemeinsamem Arbeitsbereich herzustellen und so zu einem Parallelbetrieb zu kommen.
Entsprechende Bauelemente sollen in Zukunft auf einem Chip parallel integriert werden, um praktisch nutzbare Stromstärken zu erzeugen. Dies kann zu einer neuen und noch präziser zu realisierenden Definition des Ampere führen. Darüber hinaus kann eine solche Stromquelle auch eingesetzt werden, um die Genauigkeit von Naturkonstanten zu überprüfen.