Logo PTB

Abgezählte Elektronen für ein neues Kapazitätsnormal

18.02.2005

Das Prinzip dieses Experiments besteht darin, eine Kapazität C (= 1 pF) mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen N (= 107) zu beladen und die am Kondensator entstehende Spannung U von etwa 1,6 V genau zu messen (Bild 1). Mit der Zahl N der Elektronen ist somit auch C genau bestimmt, und man erhält ein neuartiges Normal für die elektrische Kapazität, welches auf ihrer fundamentalen Definition C = Ne/U beruht. Die Manipulation der einzelnen Ladungsträger geschieht mit einer im Reinraumzentrum der PTB hergestellten Einzelelektronen-Schaltung (SET), die sich aus einer SET-Pumpe (zum Transfer bzw. zum "Abzählen" der einzelnen Elektronen) und einem SET-Elektrometer (zur Spannungsvergleich) zusammensetzt. Auf dem Weg zur Realisierung des SET-Kapazitätsnormals wurden im Jahr 2004 Fortschritte erzielt, wobei sich die durchgeführten Arbeiten im Wesentlichen auf Herstellung und Charakterisierung der SET-Bauelemente konzentrierten. Zunächst wurden freistehende SET-Pumpenschaltungen mit drei Tunnelkontakten untersucht, die zur Erhöhung der Pumpgenauigkeit on-chip mit Miniatur-Vorwiderständen ausgerüstet waren (Bild 2). Es gelang dabei, den bei einer Treiberfrequenz von f = 2 MHz gepumpten Strom I = e·f = 0,32 pA in einer ultrapräzisen Strommessung erstmals direkt mit einer relativen Unsicherheit von nur 1·10-4 zu messen. Innerhalb dieser Unsicherheit konnte keine Abweichung vom Nominalwert der Stromstärke (= e·f) festgestellt werden. Der nächste Schritt bestand darin, eine SET-Pumpe mit dem Eingang eines SET-Elektrometers zu koppeln (Bild 3). Mit dieser Anordnung gelang es, ein Hin- und Zurück-Transferieren eines einzelnen Elektrons am Elektrometereingang nachzuweisen. Untersuchungen der Elektronenspeicherzeit an diesen Strukturen ergaben, dass weitere Optimierungen der SET-Schaltungen notwendig sind, um die für das SET-Kapazitätsnormal gewünschte Präzision erzielen zu können. Insbesondere muss die Zahl der Tunnelkontakte in der SET-Pumpe auf mindestens vier erhöht werden, was den Betrieb der Pumpen allerdings komplizierter gestaltet. Ferner muss die Empfindlichkeit des SET-Elektrometers durch eine Verringerung parasitärer Streukapazitäten weiter erhöht werden, was durch den Wechsel auf ein anderes Substratmaterial im Herstellungsverfahren geschieht. Erste Prototypen dieser neuen Proben werden gegenwärtig getestet. 


Prinzip des SET-Kapazitätsnormals. Die SET-Schaltung, bestehend aus Pumpe und Elektrometer, wird im Mischungskryostaten bei Millikelvin-Temperaturen betrieben


Hochaufgelöste Stromstärkemessung an einer SET-Pumpe mit drei Tunnelkontakten und Vorwiderständen. Der gemittelte Wert stimmt im Rahmen der Messunsicherheit (rot schattierter Balken) mit dem Nominalwert überein


SET-Pumpe mit angekoppeltem SET-Elektrometer. Das Signal des Elektrometers folgt dem Takt der Pumpe, welche ein Elektron zwischen ihren Anschlüssen hin- und herpumpt. Die beiden diskreten Zustände entsprechen der Ladungsänderung von Δq = 1 e am Elektrometereingang